SI/502817

Publikationen / Ergebnisse

Im Rahmen des BEACH-Projekts gehen wir zentrale Herausforderungen der Schweizer Energiewende an, indem wir eine neuartige Technologie zur unterirdischen Energiespeicherung demonstrieren: die Fractured Thermal Energy Storage (FTES). Dieses Konzept bietet eine mögliche Lösung für den Ausgleich saisonaler Ungleichgewichte zwischen Energieangebot und -nachfrage, indem im Sommer überschüssige, kostengünstige Wärmeenergie gespeichert und im Winter als Wärme (oder potenziell als Strom) wiedergewonnen wird. Die Nutzung von kristallinen Reservoirs mit Rissstruktur ist für die Schweiz besonders relevant, da grosse Gebiete im Alpenraum solche Formationen in relativ geringer Tiefe aufweisen. Das Projekt verfolgt drei Ziele: (1) die techno-ökonomische Machbarkeit des FTES-Konzepts zu bewerten (Phase I), (2) das Konzept in einer Einzelbohrloch-Konfiguration experimentell zu evaluieren (Phase II) und (3) die Leistungsfähigkeit eines Cross-Hole-Zirkulationssystems (Phase III) im Massstab des BedrettoLabs zu untersuchen. Das übergeordnete Ziel besteht darin, potenzielle Umsetzungsszenarien und die Einführung des FTES für verschiedene Anwendungsfälle, z. B. im Tessin, zu untersuchen. In diesem Dokument tragen wir die Ergebnisse von Phase II zusammen, darunter (1) experimentelle Beobachtungen aus Wärmespeichertests mit einem einzelnen Bohrloch, (2) numerische Modelle, die das beobachtete Verhalten nachbilden und auf verschiedene potenziell effizientere Betriebsbedingungen extrapolieren, sowie (3) den konzeptionellen Entwurf von Cross-Hole-Experimenten für Phase III. Das durchgeführte Wärmespeicher-Experiment stellt ein verkleinertes Modell idealer Betriebsbedingungen dar, die typischerweise Injektionsraten in der Grössenordnung von mehr als 100 l/min bei Temperaturen von über 60 °C beinhalten würden, um Speichereffizienzen von etwa 70 % zu erreichen (siehe Ergebnisse von Phase I). Im BedrettoLab injizierten wir Wasser mit einer Temperatur von 70 °C bei einer konstanten Durchflussrate von 12 l/min in einen 18 m langen Intervall in einer Tiefe zwischen 132 und 150 m in einem mit einem Multi-Packer-System ausgestatteten Bohrloch. Die Heisswasser-Injektionen erfolgten in zwei Zyklen von jeweils mehr als zwei Wochen Dauer, in denen Drücke von bis zu 16 MPa erreicht wurden. Auf jeden Injektionszyklus folgte eine Abschaltphase (Ruhephase) und eine Produktionsphase, in der durch Öffnen des Intervalls Durchflussraten von 3 l/min unter atmosphärischen Druckbedingungen erzielt wurden. Zum Überwachungskonzept gehörten Druck- und Verformungsmessungen in benachbarten Bohrlöchern, Edelgasanalysen, hochauflösende geochemische und mikrobiologische Probenahmen sowie seismische Überwachung, integriert in ein adaptives Ampelsystem als Teil des seismischen Risikomanagements. In diesem ersten Experiment war das Bohrloch oberhalb des Injektionsintervalls nicht thermisch isoliert, was zu erheblichen Wärmeverlusten entlang des Bohrlochs führte, bevor die Zielzone erreicht wurde. Infolgedessen beschränkten sich die thermischen Rückgewinnungswirkungsgrade auf Intervallebene im ersten und zweiten Injektionszyklus auf 6 bzw. 10 %. Wichtig ist, dass trotz dieser bereits im Voraus bekannten nicht idealen Isolierung und der relativ kurzen Injektionsdauer (nur 2 Wochen pro Zyklus) der zweite Zyklus im Vergleich zum ersten eine deutliche Steigerung der thermischen Rückgewinnung aufweist. Dieser Trend steht im Einklang mit dem erwarteten Verhalten von FTES (und im weiteren Sinne von unterirdischen Wärmespeichern), bei denen sich die Speichereffizienz mit wiederholten Lade- und Entladezyklen zunehmend verbessert, während sich das thermische Regime des Reservoirs stabilisiert. Diese Ergebnisse liefern daher ermutigende Hinweise darauf, dass Leistungssteigerungen auch unter ungünstigen Bedingungen erzielt werden können. Sie legen zudem nahe, dass mit einer verbesserten Bohrlochisolierung und einem realistischeren, längerfristigen zyklischen Betrieb wesentlich höhere Wirkungsgrade erreichbar sind. Die laufenden Arbeiten konzentrieren sich auf die Umsetzung dieser Systemverbesserungen und die Ausweitung der Anzahl der Einspeisezyklen, um das Speicherpotenzial des Systems voll auszuschöpfen. In der nächsten Phase, Phase III, wird eine Konfiguration mit querverlaufenden Wärmespeicherbohrungen umgesetzt, bei der ein zusätzliches Einspeise-/Förderbohrloch gebohrt und die Überwachung erweitert wird, um die relevanten Parameter aufzuzeichnen und das FTES-Konzept weiter zu optimieren.