Helmholtz-Programm MTET: „Materials and Technologies for the Energy Transition“

  • Ansprechperson:

    Britta Nestler

  • Förderung:

    Helmholtz Programmorientierte Forschung

  • Starttermin:

    2021

Forschung

BildIAM-CMS

Das FuE-Vorhaben gehört zu: Subtopic 4 Geoenergie, Topic High-Temperature Thermal Technologies des Helmholtzprogramms MTET und liegt mit dem Themenfeld der Mikrostruktursimulation von Scaling, Sedimentation und Korrosion sowie der gekoppelten Prozesse: Strömung, Wärme-/Stofftransport und Mechanik inhaltlich zentral im Cluster 3: Multi-physics modeling and materials.

Die Forschungsarbeiten umfassen die Entwicklung von Methoden zur Beschreibung  anisotroper Kristallsymmetrien, die Simulation großskaliger 3D Kristallisationsprozesse polykristalliner Mikrostrukturen in porösen Gesteinsstrukturen als Folge von Scaling und Sedimentation, die Umsetzung von Datenanalyseverfahren zur Bestimmung von Wirkzusammenhängen zwischen Korngrenzdynamik, der sich ändernden Porosität und Permeabilität durch Zementationsprozesse. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Umsetzung gekoppelter Mikrostruktur-Mechanik Modelle zur Berechnung thermo-mechanischer und chemo-mechanischer Vorgänge in polykristallinen Gesteinsklüften. In diesem Themenbereich soll auch eine Modellierung von Korrosionsvorgängen aufgebaut werden.

Materialien und Geoprozesse – Fluid-Rock Interaction

Prozesssimulation spielt eine entscheidende Rolle für eine effiziente, sichere und nachhaltige Konstruktion und Nutzung von Geothermie-Kraftwerken. Sie ist ein unverzichtbares Werkzeug für das Verständnis der komplexen thermischen, hydraulischen, mechanischen und chemischen Prozesse (THMC) in geklüfteten kristallinen Reservoiren.

Die Forschungsarbeiten in diesem Cluster haben das Ziel, den Einfluss der 3-D-Kluftgeometrie und der Oberflächenstruktur auf die Strömungseigenschaften, den Druckverlust und die Wärmeübertragungsrate eines Multiphasenfluids in multiphysikalischen Simulationen der Fluidmechanik sowie des Stofftransports und Wärmeübergangs zu untersuchen.

Die Materialmodelle erlauben auf Basis hydrothermaler Berechnungen eine Beschreibung der Mineralausfällungen und Kristallisationsprozesse an den Kluftoberflächen und eine Vorhersage der dadurch bedingten Veränderungen von Öffnungsweite und Durchlässigkeit der Klüfte.

Zirkulierende Fluide in EGS-Systemen befinden sich nicht im Gleichgewicht mit den in-situ-Bedingungen bezüglich Druck, Temperatur und chemischer Zusammensetzung. Komplexe Fluid-Gesteinswechselwirkungen betreffen Reaktionen der Minerallösung und -fällung und führen zu:

  • langfristigen Veränderungen in der Reservoirhydraulik,

  • der Mobilisierung von reservoirspezifischen natürlich vorkommenden chemotoxischen und radiotoxischen Elementen.

 

Geothermische Energiesysteme

Als zentraler Teil des Topics "Geothermische Energiesysteme" fokussiert sich der Cluster u.a. auf das artefaktfreie geochemische Monitoring und die Analyse der zirkulierenden Fluide, die thermodynamische und kinetische Beschreibung des Thermalwassers einschließlich der Vorhersage von Mineralfällung sowie das mechanische Verständnis technischer Lösungen wie der Anwendung von Inhibitoren, um Scalings zu verhindern.

Mit Hilfe dieses Ansatzes wird die Nachhaltigkeit von EGS-Systemen verbessert und die Betriebskosten sowie Entsorgungskosten von Abfallstoffen werden minimiert.

 

Materialbeständigkeit in Geothermiekraftwerken und Korrosionsprozesse

Die Materialbeständigkeit in Geothermiekraftwerken ist aufgrund starker chemischer und mechanischer Belastung durch das aggressive Thermalwasser großen Herausforderungen unterworfen. Materialkorrosion metallischer Baumaterialien ist deshalb von großer Bedeutung für die Kraftwerksbetreiber. Eine vernünftige Materialwahl und ingenieurstechnischer Korrosionsschutz kann die Kraftwerksverfügbarkeit erhöhen und die Betriebskosten minimieren. Deshalb ist es ein weiteres Ziel des Clusters, Korrosionsprozesse im Kraftwerksbetrieb zu minimieren.

 

 

 

Publikationen


2021
Formation of wide-blocky calcite veins by extreme growth competition
Spruženiece, L.; Späth, M.; Urai, J. L.; Ukar, E.; Selzer, M.; Nestler, B.; Schwedt, A.
2021. Journal of the Geological Society, 178 (2), jgs2020–104. doi:10.1144/jgs2020-104
2020
Extreme Scale Phase-Field Simulation of Sintering Processes
Hierl, H.; Hötzer, J.; Seiz, M.; Reiter, A.; Nestler, B.
2020. 2019 IEEE/ACM 10th Workshop on Latest Advances in Scalable Algorithms for Large-Scale Systems (ScalA), Denver, CO, USA, 18-18 Nov. 2019, 25–32, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). doi:10.1109/ScalA49573.2019.00009
Microstructural transition in monotectic alloys: A phase-field study
Laxmipathy, V. P.; Wang, F.; Selzer, M.; Nestler, B.
2020. International journal of heat and mass transfer, 159, Art.-Nr. 120096. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120096
Calibrating micro-computed tomography data to permeability experiments and petrography – insights from Digital Rocks
Monsees, A. C.; Subhedar, A.; Busch, B.; Nestler, B.; Hilgers, C.
2020. Oil gas, (3/2020), 28–33. doi:10.19225/200908
A digital workflow for learning the reduced-order structure-property linkages for permeability of porous membranes
Yabansu, Y. C.; Altschuh, P.; Hötzer, J.; Selzer, M.; Nestler, B.; Kalidindi, S. R.
2020. Acta materialia, 195, 668–680. doi:10.1016/j.actamat.2020.06.003
Quadrijunctions-stunted grain growth in duplex microstructure: A multiphase-field analysis
Perumal, R.; Kubendran Amos, P. G.; Selzer, M.; Nestler, B.
2020. Scripta materialia, 182, 16–20. doi:10.1016/j.scriptamat.2020.02.041
Multiphase-field modelling of crack propagation in geological materials and porous media with Drucker-Prager plasticity
Späth, M.; Herrmann, C.; Prajapati, N.; Schneider, D.; Schwab, F.; Selzer, M.; Nestler, B.
2020. Computational geosciences, 25 (1), 325–343. doi:10.1007/s10596-020-10007-0
Brittle anisotropic fracture propagation in quartz sandstone: insights from phase-field simulations
Prajapati, N.; Herrmann, C.; Späth, M.; Schneider, D.; Selzer, M.; Nestler, B.
2020. Computational geosciences, 24, 1361–1376. doi:10.1007/s10596-020-09956-3
Interface tracking characteristics of color-gradient lattice Boltzmann model for immiscible fluids
Subhedar, A.; Reiter, A.; Selzer, M.; Varnik, F.; Nestler, B.
2020. Physical review / E, 101 (1), Article: 013313. doi:10.1103/PhysRevE.101.013313
A Stochastic Study of Flow Anisotropy and Channelling in Open Rough Fractures
Marchand, S.; Mersch, O.; Selzer, M.; Nitschke, F.; Schoenball, M.; Schmittbuhl, J.; Nestler, B.; Kohl, T.
2020. Rock mechanics and rock engineering, 53, 233–249. doi:10.1007/s00603-019-01907-4
2019
Influence of melt convection on the morphological evolution of seaweed structures: Insights from phase-field simulations
Pavan Laxmipathy, V.; Wang, F.; Selzer, M.; Nestler, B.; Ankit, K.
2019. Computational materials science, 170, Art.-Nr. 109196. doi:10.1016/j.commatsci.2019.109196
2018
Multiphase-field model of small strain elasto-plasticity according to the mechanical jump conditions
Herrmann, C.; Schoof, E.; Schneider, D.; Schwab, F.; Reiter, A.; Selzer, M.; Nestler, B.
2018. Computational mechanics, 62 (6), 1399–1412. doi:10.1007/s00466-018-1570-0
An elasto-chemical phase-field model for isotropic solids
Tschukin, O.; Schneider, D.; Nestler, B.
2018. European journal of mechanics / A, 73, 181–191. doi:10.1016/j.euromechsol.2018.06.014
Anisotropy and flow channeling with shearing in rough self-affine single fractures
Marchand, S.; Selzer, M.; Mersch, O.; Schoenball, M.; Nitschke, F.; Schmittbuhl, J.; Nestler, B.; Gaucher, E.; Kohl, T.
2018. 6th European Geothermal Workshop (EGW 2018), Straßburg, Frankreich, 10.–11. Oktober 2018
Hydraulic anisotropy in simulated sheared fractures: a statistical analysis with comparison of aperture determination methods
Marchand, S.; Selzer, M.; Mersch, O.; Schoenball, M.; Nitschke, F.; Schmittbuhl, J.; Nestler, B.; Gaucher, E.; Kohl, T.
2018. European Geosciences Union General Assembly (EGU 2018), Wien, Österreich, 8.–13. April 2018
Three-Dimensional Phase-Field Investigation of Pore Space Cementation and Permeability in Quartz Sandstone
Prajapati, N.; Selzer, M.; Nestler, B.; Busch, B.; Hilgers, C.; Ankit, K.
2018. Journal of geophysical research / Solid earth, 123 (8), 6378–6396. doi:10.1029/2018JB015618
Modeling fracture cementation processes in calcite limestone: a phase-field study
Prajapati, N.; Selzer, M.; Nestler, B.; Busch, B.; Hilgers, C.
2018. Geothermal Energy, 6 (1), 7. doi:10.1186/s40517-018-0093-4
Perspectives on material modelling: Porous and particle-based microstructures
Nestler, B.; August, A.; Selzer, M.; Hötzer, J.; Kellner, M.; Prajapati, N.; Rehn, V.; Seiz, M.
2018. Ceramic applications, 6 (1), 73–77
2017
Concepts of modeling surface energy anisotropy in phase-field approaches
Tschukin, O.; Silberzahn, A.; Selzer, M.; Amos, P. G. K.; Schneider, D.; Nestler, B.
2017. Geothermal Energy, 5 (1), Art.Nr. 19. doi:10.1186/s40517-017-0077-9
Phase-field study on the formation of first-neighbour topological clusters during the isotropic grain growth
Perumal, R.; Kubendran Amos, P. G.; Selzer, M.; Nestler, B.
2017. Computational materials science, 140, 209–223. doi:10.1016/j.commatsci.2017.08.043
Computational modeling of calcite cementation in saline limestone aquifers : a phase-field study
Prajapati, N.; Selzer, M.; Nestler, B.
2017. Geothermal Energy, 5 (1), Art. Nr.: 15. doi:10.1186/s40517-017-0072-1
Large-scale multiphase-field simulations of microstructures
Nestler, B.
2017. Mechanikkolloquium, RWTH Aachen, Germany, 2017
On stress and driving force calculation within multiphase-field models : Applications to martensitic phase transformation in multigrain systems
Schneider, D.; Schoof, E.; Schwab, F.; Herrmann, C.; Selzer, M.; Nestler, B.
2017. 4th GAMM Workshop on Phase Field Modeling, RWTH Aachen University, Germany, 2nd - 3rd February 2017
Integrated Research as Key to the Development of a Sustainable Geothermal Energy Technology
Meller, C.; Bremer, J.; Ankit, K.; Baur, S.; Bergfeldt, T.; Blum, P.; Canic, T.; Eiche, E.; Gaucher, E.; Hagenmeyer, V.; Heberling, F.; Held, S.; Herfurth, S.; Isele, J.; Kling, T.; Kuhn, D.; Mayer, D.; Müller, B.; Nestler, B.; Neumann, T.; Nitschke, F.; Nothstein, A.; Nusiaputra, Y.; Orywall, P.; Peters, M.; Sahara, D.; Schäfer, T.; Schill, E.; Schilling, F.; Schröder, E.; Selzer, M.; Stoll, M.; Wiemer, H.-J.; Wolf, S.; Zimmermann, M.; Kohl, T.
2017. Energy technology, 5 (7), 965–1006. doi:10.1002/ente.201600579
Experimental and numerical investigation of drop evaporation depending on the shape of the liquid/gas interface
Schweigler, K. M.; Ben Said, M.; Seifritz, S.; Selzer, M.; Nestler, B.
2017. International journal of heat and mass transfer, 105, 655–663. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.10.033
Surface rippling during solidification of binary polycrystalline alloy : Insights from 3-D phase-field simulations
Ankit, K.; Xing, H.; Selzer, M.; Nestler, B.; Glicksman, M. E.
2017. Journal of Crystal Growth, 457, 52–59. doi:10.1016/j.jcrysgro.2016.05.033
2016
Three-dimensional phasefield investigation of pore-space and permeability in sandstone
Prajapati, N.; Ankit, K.; Nestler, B.; Schmidt, C.; Hilgers, C.
2016. American Geophysical Union (AGU) Fall Meeting 2016, San Francisco, California, 12th - 16th December 2016
Threedimensional phasefield investigation of pore space cementation and permeability in quartz sandstone
Prajapati, N.; Ankit, K.; Selzer, M.; Nestler, B.; Schmidt, C.; Hilgers, C.
2016. Workshop "Geothermische Fluide in Salinaren Systemen", KIT- Karlsruhe, Germany, 2016
Evolution von Mikroporen in Kristallen mit hexagonaler Gitteranisotropie
Schneider, D.; Langerome, B.; Selzer, M.; Reiter, A.; Nestler, B.
2016. Forschung aktuell, 36–38
Threedimensional phasefield investigation of pore space cementation and permeability in quartz sandstone
Prajapati, N.; Ankit, K.; Selzer, M.; Nestler, B.; Schmidt, C.; Hilgers, C.
2016. AGU 2016 : American Geophysical Union, San Francisco, California, 12th - 16th December 2016
On stress and driving force calculation within phase-field models : Applications to martensitic phase transformation and crack propagation in multiphase systems
Schneider, D.; Schoof, E.; Tschukin, T.; Schwab, F.; Selzer, M.; Nestler, B.
2016. Interdisziplinäres Seminar Mathematik und Mechanik, Kaiserslautern, Deutschland, 2016
Phase-field modeling of crack propagation in multiphase systems
Schneider, D.; Schoof, E.; Schwab, F.; Selzer, M.; Nestler, B.
2016. EMMC15 : 15th European Mechanics of Materials Conference, Brussel, Belgium, 7th - 9th September 2016
Phase-field modeling of crack propagation in multiphase systems
Schneider, D.; Schoof, E.; Schwab, F.; Selzer, M.; Nestler, B.
2016. ECCOMAS 2016 : European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, Crete Island, Greece, 5th - 10th June 2016
Pattern formation studies by large-scale phase-field simulations
Nestler, B.
2016. GAMM-Jahrestagung, Braunschweig, Deutschland, 7. - 11. März 2016
Analytics for microstructure datasets produced by phase-field simulations
Steinmetz, P.; Yabansu, Y. C.; Hötzer, J.; Jainta, M.; Nestler, B.; Kalidindi, S. R.
2016. Acta materialia, 103, 192–203. doi:10.1016/j.actamat.2015.09.047
Calibration of a multi-phase field model with quantitative angle measurement
Hötzer, J.; Tschukin, O.; Ben Said, M.; Berghoff, M.; Jainta, M.; Barthelemy, G.; Smorchkov, N.; Schneider, D.; Selzer, M.; Nestler, B.
2016. Journal of materials science, 51 (4), 1788–1797. doi:10.1007/s10853-015-9542-7
Modeling of crack propagation on a mesoscopic length scale
Nestler, B.; Schneider, D. M.; Schoof, E.; Huang, Y.; Selzer, M.
2016. GAMM-Mitteilungen, 39 (1), 78–91. doi:10.1002/gamm.201610005
2015
Elasto-plastic phase-field model accounting for mechanical jump conditions during solid-state phase transformations
Schneider, D.; Tschukin, O.; Choudhury, A.; Selzer, M.; Nestler, B.
2015. International Conference on Solid-Solid Phase Transformations in Inorganic Materials (PTM), Whistler, Canada, 28th June - 3rd July 2015
Elasto-plastic phase-field model based on mechanical jump conditions
Schneider, D.; Tschukin, O.; Selzer, M.; Nestler, B.
2015. 2. GAMM Seminar on Phase-Field-Modelling, Siegen University, Germany, 5th - 6th February 2015
Elastoplastic phase-field model accounting for mechanical jump conditions during solid-state phase transformations
Schneider, D.; Tschukin, O.; Schoof, E.; Choudhury, A.; Selzer, M.; Nestler, B.
2015. PTM 2015 : International Conference on Solid-Solid Phase Transformations in Inorganic Materials, Westin Whistler Resort & Spa, Canada, 28th June - 3rd July 2015
Elastoplastic phase-field model accounting for mechanical jump conditions during solid-state phase transformations
Schneider, D.; Tschukin, O.; Schoof, E.; Choudhury, A.; Selzer, M.; Nestler, B.
2015. ICM12 : 12th International Conference on the Mechanical Behavior of Materials, Karlsruhe, Germany, 10th - 14th May 2015
Phase-Field Modeling of Solid-Solid Phase Transformations
Schneider, D.; Kumar, A.; Tschukin, O.; Selzer, M.; Nestler, B.
2015. ESMC9 : 9th European Solid Mechanics Conference, Madrid, Spain, 6th - 10th July 2015
Elasto-plastic phase-field model accounting for mechanical jump conditions during solid-state phase transformations
Schneider, D.; Tschukin, O.; Choudhury, A.; Selzer, M.; Nestler, B.
2015. Proceedings of the International Conference on Solid-Solid Phase Transformations in Inorganic Materials 2015 (PTM), Whistler, Canada, 28th June - 3rd July 2015. Ed.: M. Militzer, 899–900, PTM
Microstructural evolution in bitaxial crack-seal veins: A phase-field study
Ankit, K.; Urai, J. L.; Nestler, B.
2015. Journal of geophysical research / Solid earth, 120 (5), 3096–3118. doi:10.1002/2015JB011934
Phase‐field Modeling of Fracture Cementation Processes in 3‐D
Ankit, K.; Selzer, M.; Hilgers, C.; Nestler, B.
2015. Journal of Petroleum Science Research, 4 (2), 79–96. doi:10.12783/jpsr.2015.0402.04
Small strain elasto-plastic multiphase-field model
Schneider, D.; Schmid, S.; Selzer, M.; Boehlke, T.; Nestler, B.
2015. Computational Mechanics, 55 (1), 27–35. doi:10.1007/s00466-014-1080-7
2014
Numerical methods to study phase transformation and transport mechanisms in veins
Ankit, K.; Nestler, B.
2014. PetroTherm-Seminar SS 2014 : Introduction to GeoLab, Karlsruhe, Germany, 17th April 2014
Comprehending the mechanism of vein formation : Insights from three-dimensional phase-field modeling and innovative post-processing techniques
Ankit, K.; Selzer, M.; Nestler, B.
2014. The Clustered ECCM V and ECFD VI Jointly Organized with WCCM XI : 11th World Congress on Computational Mechanics - 5th European Conference on Computational Mechanics - 6th European Conference on Computational Fluid Dynamics Barcelona, Spain, 20-25 July 2014
A three-dimensional phase-field study of grain boundary tracking behavior in crack-seal microstructures
Ankit, K.; Selzer, M.; Nestler, B.
2014. European Geosciences Union General Assembly (EGU 2014), Wien, Österreich, 27. April–2. Mai 2014
Phase-field modeling of crystal growth in geological veins : A first look
Ankit, K.; Urai, J.; Hilgers, C.; Nestler, B.
2014. PFM 2014 : The Third International Symposium on Phase-field Method 2014, State College, Pennsylvania, 26th-29th August 2014
Mathematical modeling of microstructural evolution in geological vein networks and solid-state phase transformations
Ankit, K.; Nestler, B.
2014. Workshop on polycrystalline growth : New insights from experiments and modeling, Karlsruhe, Germany, 2014
Phasenfeldmodellierung der Spannungsentwicklung in heterogenen Gefügen
Schneider, D.; Tschukin, O.; Choudhury, A.; Selzer, M.; Nestler, B.
2014. Sitzung Fachausschuss Computersimulation, Bochum, Deutschland, 2014
Phase-field modeling of stress evolution in heterogen structures
Schneider, D.; Tschukin, O.; Choudhury, A.; Selzer, M.; Nestler, B.
2014. 11th World Congress on Computational Mechanics, Barcelona, Spain, 20–25 July 2014
Phase-field modeling of diffusion coupled crack propagation processes
Schneider, D.; Selzer, M.; Bette, J.; Rementeria, I.; Vondrous, A.; Hoffmann, M. J.; Nestler, B.
2014. Advanced Engineering Materials, 16 (2), 142–146. doi:10.1002/adem.201300073
Three-dimensional phase-field study of crack-seal microstructures - insights from innovative post-processing techniques
Ankit, K.; Selzer, M.; Nestler, B.
2014. Geoscientific model development discussions, 7, 631–658. doi:10.5194/gmdd-7-631-2014
Modelling of transient heat conduction with diffuse interface methods
Ettrich, J.; Choudhury, A.; Tschukin, O.; Schoof, E.; August, A.; Nestler, B.
2014. Modelling and simulation in materials science and engineering, 22 (8), Art.Nr. 085006/1–29. doi:10.1088/0965-0393/22/8/085006
Parallel computing for phase-field models
Vondrous, A.; Selzer, M.; Hötzer, J.; Nestler, B.
2014. The international journal of high performance computing applications, 28 (1), 61–72. doi:10.1177/1094342013490972
2013
Phase-field study of grain boundary tracking behavior in crack-seal microstructures
Ankit, K.; Nestler, B.; Selzer, M.; Reichardt, M.
2013. Contributions to Mineralogy and Petrology, 166 (6), 1709–1723. doi:10.1007/s00410-013-0950-x