GEOSIM (Entwicklung einer Software für die Prognose des seismischen Risikos bei Geothermieprojekten)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 409.05.12

Schlüsselwörter (Deutsch)

Tiefengeothermie, Fracking, petrothermal, induzierte Seismizität, Erdbeben, Umweltverträglichkeitsprüfung, Monitoring, Software

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Petrothermale Geothermiesysteme generieren ein durchlässiges Wasserreservoir durch künstliches Aufbrechen (Fracking) des Gesteins in grosser Tiefe. Die induzierte Seismizität durch Fracking und aus der resultierenden Nutzung des Systems können bei unkontrollierten Verhältnissen Erdbeben auslösen, die bis zur Stilllegung von Geothermieprojekten (z.B. Deep Heat mining, Basel, 2006) führen. Um das Potential der Tiefengeothermie in der Schweiz und weltweit mittelfristig nutzen zu können ist es zwingend notwendig das durch induzierte Erdbeben verursachte seismische Risiko im Rahmen der Umweltverträglichkeitsprüfung und des betrieblichen Monitoring während der Nutzungszeit mit belastbaren Methoden und Softwaretools in Echtzeit abschätzen zu können. Das Projekt GEOSIM entwickelt dazu die wissenschaftliche Methodik, die Algorithmen und Softwaretools um das Risiko der ab dem Jahr 2014 von der Industrie geplanten Pilotprojekte in Echtzeit beurteilen zu können.

 

Das Gesuch vom 21.11.2011 wurde an der Sitzung der Expertengruppe AGUT vom 6.12.2011 besprochen und mit Auflagen genehmigt. Am 13.2.2012 fand eine Besprechung mit Vertretern der KTI, des BFE und des BAFU statt wo die positive Erfüllung der Auflagen durch die Gesuchsteller festgestellt werden konnte.  Der Unterstützungsbeitrag des BFE in Höhe von max. CHF 181‘920 wird Gegenstand eines separat vom BFE mit der ETH Zürich abzuschliessendem Vertrages. GeoEnergie Suisse AG (nachfolgend „Partnerin aus der Privatwirtschaft“) unterstützt das Projekt auf Basis eines separat mit der ETH Zürich zu vereinbarenden Vertrags mit einem Bargeldbetrag von CHF 160‘000 und erbringt Eigenleistungen im Wert von ca. CHF 500‘000.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1     Bericht über die zur Verfügung stehenden Modelle (Inventar der existierenden Methoden und Programme) und deren Eignung für induzierte seismische Risiko-Analyse (ISHA): Deliverable D1 aus Task 1 gemäss Gesuch.

 

2     Bericht zur probabilistischen Vorhersage der zu erwartenden Bodenbewegungen an einem Standort in Echtzeit, mit Hilfe von sogenannten „empirischen Green Funktionen“: Deliverable D6 aus Task 6 gemäss Gesuch.

 

3     Bericht zur Validierung der neu entwickelten Methoden und Programme durch die Anwendung auf existierende Daten aus mindestens fünf bereits bekannten Geothermieprojekten: Deliverable D3 aus Task 3 gemäss Gesuch.

 

4     Berichte zu den Themen Reservoir-Modellierung, Wahrscheinlichkeiten von Extremereignissen und Stabilität, sowie Best-Practice Leitfaden mit Softwareplattform und Dokumentation: Deliverable D4 aus Task 4, D5 aus Task 5, D7 aus Task 7 und D8 aus Task 8 gemäss Gesuch.

 

5     Redaktion eines Schlussberichtes mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 4 und Angabe der Elemente, die kommerziell umgesetzt werden könnten.

 

6     Bereitstellung von Textbausteinen und Illustrationen für die Erstellung eines Publikums-Factsheets

 

7    Präsentation der Ergebnisse an einem wissenschaftlichen Kolloquium beim BAFU mit entsprechender Power-Point Darstellung

Projektziele (Deutsch)

Entwicklung einer online Software für die Prognose in Echtzeit des Risikos von  induzierter Seismizität während dem Bau und dem Betrieb von petrothermalen Geothermiesystemen

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Das Projekt GEOSIM war für den SED und den Industriepartner GeoEnergie Suisse AG (GES) ein in jeder Hinsicht erfolgreiches Projekt: Die Meilensteine sind mit wenigen Anpassungen erreicht worden, aus der Zusammenarbeit sind zahlreiche Publikationen und Konferenzbeiträge entstanden.

In einem ersten Schritt wurden bestehende Modelle auf ihre Eignung für die Risikoabschätzung bei Tiefengeothermieprojekten analysiert (Gischig & Alcolea, 2012) und die mit der Risikomodellierung einhergehenden Unsicherheiten systematisch untersucht (Mignan et al., 2015). Die vielversprechendsten Ansätze wurden danach über mehrere Komplexitätsstufen weiterentwickelt, getestet und validiert (Gischig & Wiemer, 2013; Karvounis et al., 2014; Karvounis & Wiemer, in prep.). Die Anwendung der entstandenen Modelle auf Daten aus vergangenen Projekten erlaubte es, wichtige Hypothesen in Bezug die physikalischen Vorgänge beim Einpressen von Wasser in grossen Tiefen zu untersuchen und neue Erkenntnisse zu gewinnen (Goertz-Allmann & Wiemer, 2013; Gischig et al., 2014).

Für die Abschätzung der Bodenbewegungen die auf Grund von Mikrobeben erwartet werden können, wurden neue, vielversprechende Methoden entwickelt (Edwards, 2015). Die aus dem Projekt gewonnen Erkenntnisse flossen in zwei Produkte ein: Einen Leitfaden zur Handhabung von induzierter Seismizität (auf www.seismo.ethz.ch ab 2016) und einen Softwareprototypen, der die entwickelten Modelle in ein Framework einbindet, welches erstmals eine Risikoabschätzung in Quasi-Echtzeit erlaubt.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Das Projekt GEOSIM hat es dem SED und der GES erlaubt, effizient zusammenzuarbeiten und gemeinsam neue Ansätze zur Beherrschung der Problematik der induzierten Erdbeben im Kontext der Geothermie zu entwickeln. Die neu gewonnenen Erkenntnisse flossen jeweils laufend in die Tätigkeiten von GES ein - die Wichtigkeit des Projektes bei der Erteilung der Baubewilligung für das Pilotprojekt in Haute-Sorne ist damit nicht zu unterschätzen. Das Projekt war zudem ein wichtiger Zwischenschritt hin zu einer potentiellen Kommerzialisierung, die jetzt mit Unterstützung der KTI angegangen wird.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Die in GEOSIM entstandenen Modelle und Methoden werden in den nächsten Jahren einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung der Tiefengeothermie in der Schweiz liefern, und sind somit wesentlich für die Energiestrategie 2050 des Bundes. Die GEOSIM Arbeiten werden im Pilotprojekt Haute-Sorne der GeoEnergie Schweiz erstmals in einer realen Anwendung getestet werden. Sie bilden zudem die Basis für ein kürzlich bewilligtes KTI Projekt (2015 – 2018), welches den Fokus auf die technische Weiterentwicklung der Softwarekomponenten legt und so den Grundstein für eine kommerzielle Verwertung der Ergebnisse aus GEOSIM legen soll. Die Ergebnisse von GEOSIM werden auch im Kontext des SCCER-SoE von den Arbeitsgruppen Modellierung und Risiko intensiv benutzt. Auch im kürzlich bewilligten EU Horizon 2020 Projekt DESTRESS wird der SED und die GES gemeinsam auf den Ergebnissen von GEOSIM aufbauen, und die dabei entwickelten Konzepte auch in anderen Geothermieprojekten in Europa testen.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

• Goertz-Allmann, B.P. & Wiemer, S., 2013. Geomechanical modeling of induced seismicity source parameters and implications for seismic hazard assessment. Geophysics, 78(1), pp.KS25–KS39.

• Gischig, V.S. & Wiemer, S., 2013. A stochastic model for induced seismicity based on nonlinear pressure diffusion and irreversible permeability enhancement. Geophysical Journal International.

• Gischig, V., Wiemer, S. & Alcolea, A., 2014. Balancing reservoir creation and seismic hazard in enhanced geothermal systems. Geophysical Journal International, 198(3), pp.1585– 1598.

• Mignan, A. et al., 2015. Induced seismicity risk analysis of the 2006 Basel, Switzerland, Enhanced Geothermal System project: Influence of uncertainties on risk mitigation. Geothermics, 53, pp.133–146

• Karvounis, D., Gischig, V. & Wiemer, S., 2014. Towards a Real-Time Forecast of Induced Seismicity for Enhanced Geothermal Systems. In Shale Energy Engineering Conference 2014. Technical Challenges, Environmental Issues, and Public Policy. Proceedings. American Society of Civil Engineers, Reston, VA, USA, pp. 246–55.

• Karvounis, D. & Wiemer, S., Induced seismicity and thermal energy recovery forecasts in Enhanced Geothermal Systems. in prep.

Berichte:

• Gischig & Alcolea, 2012. An inventory on available numerical modelling tools for induced seismicity.

• Edwards et al., 2015. Estimating Ground Motion for Induced Earthquakes using Empirical Green’s Functions.