SI/502362

Schlussbericht

Hochtemperatur-Wärmespeichersysteme (HTS) dienen dazu, das Ungleichgewicht zwischen Energieerzeugung und Energienachfrage auszugleichen, indem überschüssige oder industrielle Abwärme aus Produktionsprozessen, Kehrichtverwertungsanlagen oder erneuerbaren Energiequellen in tiefe geologische Reservoirs eingebracht, dort saisonal gespeichert und bei Bedarf wiedergewonnen wird. Damit stellen sie eine Schlüsseltechnologie zur Erhöhung der Flexibilität erneuerbarer Energiesysteme, zur Verbesserung der Versorgungssicherheit sowie zur Verringerung der Treibhausgasemissionen dar. Das Projekt VESTA-CH befasst sich mit einer der wesentlichen Herausforderungen, welche den großflächigen Einsatz von Hochtemperatur-Wärmespeichersystemen (HTS) begrenzen: der langfristigen Erhaltung der Speicherleistung unter wiederholtem Hochtemperaturbetrieb. Während aufeinanderfolgender Injektions- und Förderzyklen können gekoppelte thermo-hydro-chemische (THC-)Prozesse die Eigenschaften des Reservoirs durch Änderungen der Permeabilität sowie durch Mineralauflösung und -ausfällung verändern. Dadurch werden die Injektivität, die Produktivität, die thermische Rückgewinnungseffizienz und letztlich die Betriebssicherheit schrittweise beeinträchtigt. Ziel des Projekts ist daher die Entwicklung wissenschaftlicher und ingenieurtechnischer Methoden zur Definition sicherer Betriebsbereiche („safe operating envelopes“) sowie zur Unterstützung der Auslegung effizienterer, zuverlässigerer und langlebigerer HTS-Systeme. Zur Erreichung dieses Ziels kombiniert VESTA-CH fortschrittliche numerische Modellierung mit Laborexperimenten und Felddaten, um die Entwicklung von HTS-Systemen unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu untersuchen. Hierzu werden vollständig gekoppelte THC-Simulationen entwickelt, welche die Wechselwirkungen zwischen Fluidströmung, Wärmetransport und geochemischen Reaktionen während wiederholter Speicherzyklen quantifizieren. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf derIdentifizierung der physikalischen und chemischen Mechanismen, die für die Leistungsdegradation verantwortlich sind, auf der Bewertung der Sensitivität des Systemverhaltens gegenüber wesentlichen geologischen, auslegungs- und betriebsrelevanten Parametern sowie auf der Untersuchung innovativer ingenieurtechnischer Konzepte. Hierzu zählen insbesondere verteilte faseroptische Überwachungssysteme, horizontale multilaterale Bohrungen sowie fortschrittliche Bohrlocharchitekturen zur Verbesserung des Wärmeaustauschs. Anstatt standortspezifische Betriebsgrenzen festzulegen, die naturgemäß von den lokalen hydrogeologischen und thermischen Bedingungen abhängen, wird der Modellierungsrahmen genutzt, um allgemeingültige Zusammenhänge zwischen der Reservoirleistung und den maßgebenden geologischen, konstruktiven und betrieblichen Parametern abzuleiten. Dieser Ansatz ermöglicht die Identifizierung der wichtigsten Einflussgrößen auf die thermische Effizienz und liefert übertragbare Auslegungsprinzipien, die sich durch Berücksichtigung der standortspezifischen Geologie, der Bohrlocharchitektur und des Bohrlochausbaus („Completion Design“) auf zukünftige HTS-Projekte anwenden lassen. VESTA-CH profitiert von Datensätzen, die im Rahmen des Projekts Forsthaus Geospeicher High-Temperature Aquifer Thermal Energy Storage (HT-ATES) erhoben wurden. Ziel dieses Projekts war es, überschüssige Wärme des lokalen Energieversorgers Energie Wasser Bern (ewb) in Sandsteinschichten der Unteren Süsswassermolasse (USM) in Tiefen zwischen 240 und 500 Metern zu speichern. Nach umfangreichen Feldversuchen und Stimulationskampagnen zeigte sich jedoch, dass die Permeabilität der Sandsteinformationen zu gering war, um eine wirtschaftlich relevante thermische Energiespeicherung zu ermöglichen. Infolgedessen konnten lediglich unvollständige Datensätze gewonnen werden, die sich hauptsächlich auf die Charakterisierung des hydrogeologischen Systems beschränkten. Dadurch konnten mehrere der ursprünglichen Ziele des VESTA-CH-Projekts nur teilweise erreicht werden. Dazu zählen: (1) die Optimierung des Injektionskonzepts (Druck und Temperatur) für den Pilotstandort Bern Forsthaus, (2) die Entwicklung und Validierung des Überwachungs- und Monitoringsystems sowie (3) die Bewertung geochemischer Prozesse. Mangels entscheidender Datensätze enthält dieser Bericht allgemeingültige Empfehlungen, die auf den verfügbaren Daten und numerischen Analysen basieren. Die Ergebnisse von VESTA-CH umfassen (1) ein fortschrittliches, vollständig gekoppeltes numerisches Simulationswerkzeug für TH(M)C-Prozesse in Bohrungen und Reservoiren, (2) allgemeingültige ingenieurtechnische Empfehlungen für die Auslegung zukünftiger HTS-Systeme, (3) ein integriertes Monitoring- und Überwachungskonzept, das Oberflächenmessungen, Bohrlochinstrumentierung und verteilte faseroptische Messtechnologien kombiniert, (4) allgemeingültige Leitlinien zur Definition sicherer Betriebsbereiche einschließlich Injektionsund Förderraten sowie zulässiger Druckgrenzen und (5) eine umfassende Bewertung geochemischer Risiken, welche die langfristige Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von HTS-Systemen beeinflussen. Durch die Verlängerung der Betriebsdauer und die Erhöhung der Zuverlässigkeit von HTS-Anlagen wird VESTA-CH dazu beitragen, die spezifischen Kosten gespeicherter Wärmeenergie zu senken und den breiteren Einsatz saisonaler Wärmespeichertechnologien zu fördern. Das Projekt unterstützt damit die Ziele der Schweizer Energiestrategie, indem es die wissenschaftlichen und ingenieurtechnischen Grundlagen für sichere, effiziente und wirtschaftlich tragfähige unterirdische Hochtemperatur-Wärmespeichersysteme bereitstellt, die einen wachsenden Anteil erneuerbarer Energien in das zukünftige Energiesystem integrieren können.