SI/502470

Schlussbericht

geklüfteten geologischen Formationen beruht. Sie ergänzt die Aquifer-Wärmespeicherung (Aquifer Thermal Energy Storage, ATES), die typischerweise auf der Grundwasserströmung in porösen Grundwasserleitern beruht, sowie die Erdwärmesondenspeicherung (Borehole Thermal Energy Storage, BTES), die auf Wärmeleitung in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb eines Bohrlochs beruht. FTES eignet sich für flache bis mitteltiefe geologische Umgebungen, die von natürlicher Kluftpermeabilität dominiert sind (<100 m bis etwa 500 m), wobei potenziell auch horizontale Risse erzeugt und gestützt werden können, um die Durchströmung des Reservoirs zu verbessern, wenn die intrinsische Permeabilität nicht ausreicht. Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, das Potenzial von FTES hinsichtlich der langfristigen thermischen Speicherleistung experimentell zu quantifizieren, ausgedrückt durch Kennzahlen wie den Wärmerückgewinnungsfaktor (Thermal Recovery Factor, TRF). In diesem Bericht wird der TRF als projektspezifischer Indikator für die Wärmerückgewinnung verwendet, der für die Zwecke der FTES-Labor- und Modellierungsstudien definiert ist. Er ist nicht als allgemeiner thermodynamischer Wirkungsgrad zu verstehen, sondern als kontextbezogenes Maß, das einen Vergleich der Wärmerückgewinnung unter verschiedenen Versuchsbedingungen ermöglicht. Das Projekt DEMO-FTES umfasst Beiträge von USamerikanischen Partnern (PNNL, LBNL, LANL) und aus der Schweiz (EPFL) im Rahmen des GEOTHERMICA ERA-NET und der Joint Programming Platform Smart Energy Systems (JPP SES) – Joint Call 2021. Dieser Bericht konzentriert sich auf die an der EPFL durchgeführten Laboruntersuchungen. In dieser Studie wurden mittels hydraulischer Rissbildung (Hydraulic Fracturing) Risse in würfelförmigen Probekörpern mit 25 cm Kantenlänge aus kristallinem Gabbro und Lanhélin-Granit erzeugt. Zwei Probekörper wurden mit einem einzelnen Riss präpariert, während in einem dritten Probekörper drei parallele Risse erzeugt wurden. Anschließend wurden Auslassbohrungen abgeteuft. Thermische Be- und Entladeversuche wurden durchgeführt, indem heiße oder kalte Fluide bei verschiedenen Durchflussraten zwischen den Injektions- und Auslassbohrungen zirkuliert wurden. Die Ein- und Auslasstemperaturen des Fluids sowie die Temperaturen an mehreren Stellen der Probenoberflächen wurden kontinuierlich überwacht. Diese Laborversuche belegen die Machbarkeit der grundlegenden physikalischen Prozesse, die FTES zugrunde liegen – nämlich Injektion, Speicherung und Rückgewinnung thermischer Energie – und liefern einen umfassenden Datensatz zur Unterstützung der Validierung und Weiterentwicklung numerischer Modelle. Die in diesen endlichen Laborsystemen zurückgewonnene Energie (gemessen durch den Wärmerückgewinnungsfaktor, TRF) wird jedoch stark durch Wärmeverluste infolge Strahlung an den äußeren Probenoberflächen beeinflusst. Daher sind die angegebenen TRF-Werte nicht als repräsentativ für die Leistung im Feldmaßstab zu verstehen, sondern als kontrollierte Labordemonstrationen der Prinzipien der FTES-Mechanismen und als wesentliche Daten für Modellierungsarbeiten. Numerische Simulationen geben die experimentellen Beobachtungen zutreffend wieder und wurden darüber hinaus durchgeführt, um die Effizienz von FTES in einem unendlichen Medium zu bewerten (wobei die Strahlungsverluste durch Wärmeleitungsverluste ersetzt wurden).