USC-Flex Store – Underground Sun Conversion – Flexible Storage

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/502072

Short description (German)

Das Projekt USC – Flex Store strebt einen intersaisonalen und grossvolumigen Energiespeicher an. Das Einbringen von H₂ und CO₂ in einen Porenspeicher zeigte eine erwiesenermassen erfolgende Methanisierung der Ausgangsstoffe auf. Durch die nicht stöchiometrische Einleitung der Ausgangsstoffe können Produktions- und Nachfragespitzen einer künftigen, erneuerbaren Energieversorgung langfristig geglättet und durch die Verknüpfung verschiedener Netzformen stabilisiert werden.

Short description (English)

USC – Flex Store project aims to provide an inter-seasonal long term and large-scale storage solution for renewable energy. Injecting CO₂ and H₂ as feed gases in a porous underground gas storage has led to recorded microbiological methanation. By accepting non-stoichiometric feed gases, the project will reduce congestion and curtailment of an energy system relying on renewableenergies. Combining energy grids and storage, it will enhance the resilience of the energy supply in Europe.

Publications / Results (German)

Ein aktuelles Forschungsprojekt weckt die Hoffnung, der Schweizer Untergrund könnte sich als Speicher für erneuerbares Gas nutzen lassen. Hierbei kommt ein Verfahren zum Einsatz, bei dem Mikroorganismen erneuerbaren Wasserstoff und Kohlendioxid in Methan – den Hauptbestandteil von Erdgas – verwandeln. Forschende der Universität Bern haben im Schweizer Mittelland poröse Gesteinsformationen ausfindig gemacht, die für die sogenannte Geo-Methanisierung in Frage kommen.

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• Fachartikel_B. Vogel [PDF] 3'270 kB

Publications / Results (French)

Un projet de recherche actuel suscite l’espoir que le sous-sol suisse puisse être utilisé comme réservoir de gaz renouvelable. Il s’agit d’un processus au cours duquel des micro-organismes transforment de l’hydrogène et du dioxyde de carbone renouvelables en méthane, le principal composant du gaz naturel. Des chercheurs de l’Université de Berne ont repérés sur le Plateau suisse des formations rocheuses poreuses susceptibles d’être utilisées pour ce qu’on appelle la géométhanisation.

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• Article spécialisé_B.Vogel [PDF] 3'300 kB

URL-addresses (English)

Underground Sun Conversion (underground-sun-conversion.at)

Final report (German)

Der Ausbau der erneuerbaren Stromproduktion bewirkt, dass die Produktion und die Nachfrage mit Strom bezüglich Zeit, Menge und Leistung zunehmend divergiert. Dadurch ist der Bedarf nach unterschiedlichen Energiespeicherlösungen gegeben. Die saisonale Energiespeicherung in Form von erneuerbaren Gasen wird neben den Formen für kurz- und mittelfristige Speicherbedürfnisse eine wichtige Rolle spielen. Im Kontext von Power-to-Gas kombiniert das Projekt Underground Sun Conversion - Flexible Storage erneuerbare Methanproduktion mit großvolumiger Energiespeicherung. Die dabei verwendete Geo-Methanisierung wandelt in unterirdischen Lagerstätten H₂ und CO₂ in CH₄ um. Die Ermittlung der für eine Umsetzung wichtigen Betriebsparameter auf technischer, mikrobiologischer und systemischer Ebene, sowie die konzeptionelle Einbettung in das übergeordnete Energiesystem und Infrastruktur, als auch die Anforderungen an die Geologie waren dazu zu tätigen. Im Rahmen dieses Projektes wurden die Potenziale und Möglichkeiten der Geo-Methanisierung erarbeitet und erprobt. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf dem flexiblen Betrieb von Underground Sun Conversion, einschließlich konzeptioneller Überlegungen, der Suche nach geologisch und infrastrukturell optimalen Standorten sowie dem tatsächlichen Betrieb der Geo-Methanisierung im Feld und in begleitenden Versuchen im Labormaßstab.

In den Feldversuchen konnte die sichere Speicherung und Umwandlung von H₂ und CO₂ in einem unterirdischen Reservoir demonstriert werden. Darüber hinaus wurde eine Steigerung der Konversionsraten in Methan durch die Verwendung bestimmter Betriebsmodi erreicht. Dies wird durch Ergebnisse aus Laborexperimenten gestützt. Hier konnten die ablaufenden Reaktionen, die beteiligten Mikroorganismen und die Randbedingungen der Geo-Methanisierung näher beschrieben werden.

Variationen der Betriebsparameter führen zu unterschiedlichen Betriebskonzepten der Underground Sun Conversion. Die drei Vielversprechendsten wurden ausgeführt und im Detail betrachtet. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf das flexible Zusammenspiel mit einem zukünftigen Energiesystem gelegt. Hinsichtlich der Einbettung der Underground Sun Conversion in dieses Umfeld zeigen verschiedene Szenarien das Potenzial sowohl für die Schweiz als auch für Österreich. Für die Schweiz wurden zahlreiche vielversprechende Standorte für die Realisierung einer Underground Sun Conversion-Anlage identifiziert, die an die notwendige Infrastruktur (erneuerbare Stromproduktion, Gasnetz, CO₂-Quelle) angeschlossen sind. Ob diese Standorte alle geologischen Kriterien erfüllen, muss durch kommerzielle Erkundungen nachgewiesen werden. Zusätzlich wurden drei Anwendungsfälle für Underground Sun Conversion – Flexible Storage entwickelt, die als Produkt- und Sektorenkopplungsdienst dienen.

Die erzielten Ergebnisse bilden die Grundlage für die Skalierung der Technologie. Mit der Kombination von Speicherung und Umwandlung im Kontext von Power-to-Gas kann Underground Sun Conversion – Flexible Storage einen wichtigen Beitrag zur saisonalen Energiespeicherung und damit zur Energiewende leisten.

Final report (English)

Seasonal energy storage in forms of renewable gases will play an important role in future energy systems. As the expansion of renewable electricity production means that production and demand do not coincide sufficiently in terms of time, amplitude and magnitude, the need for different energy storage solutions is given. Besides short-term energy storage, seasonal storage of energy in forms of gas will play an important role. In the context of Power-to-Gas, Underground Sun Conversion - Flexible Storage combines renewable methane production with large-scale underground energy storage. The used process of geo-methanation describes the conversion of H₂ and CO₂ to CH₄ in underground reservoirs. In order to enable implementation on a commercial scale, some topics need to be further addressed. These concern operating parameters at the technical, microbiological, and systemic level as well as the embedding in the higher-level energy system, the underlying geology, and the associated infrastructure. In the course of this project the potential and possibilities for Underground Sun Conversion were elaborated and tested. A special focus is set on the flexible operation of an Underground Sun Conversion system, including conceptional considerations, the search for optimal locations in terms of geology and infrastructure as well as the actual operation of geo-methanation in field, accompanied by laboratory-scale research.

In the field tests, the safe storage and conversion of H₂ and CO₂ in an underground reservoir was demonstrated. In addition, an increase in conversion rates was achieved through the use of certain operation modes. This is supported by results from laboratory experiments. Here, the reactions taking place, the microorganisms involved, and the boundary conditions of geo-methanation could be further described.

Variations in the operating parameters result in different operation concepts of Underground Sun Conversion. The three most promising ones were developed and considered in detail. Particular emphasis was placed on their flexible interaction with a future energy system. Regarding the embedding of Underground Sun Conversion into this environment, different system scenarios show the potential for Switzerland as well as for Austria. For Switzerland, numerous promising locations for the implementation of an Underground Sun Conversion facility were identified, which are accessible to the necessary infrastructure (renewable electricity production, gas network, CO₂ source). Whether these sites fulfil all geological criteria needs to be proven by commercial exploration. Additionally, three use cases for Underground Sun Conversion – Flexible Storage were developed, serving as product and sector coupling service.

The results obtained will form the basis for scaling the technology. With the combination of storage and conversion in the context of Power-to-Gas, Underground Sun Conversion – Flexible Storage can make an important contribution to seasonal energy storage and thus to the energy transition.

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• Final report [PDF] 11'867 kB

Final report (French)

Le développement de la production d'électricité renouvelable a pour conséquence une augmentation de la demande d'électricité divergent de plus en plus en termes de temps, de quantité et de puissance. Il en résulte des besoins de différentes solutions de stockage d'énergie. Le stockage saisonnier de l'énergie sous forme de gaz renouvelable devient, à part d'autres besoins de stockage à court et moyen terme. Dans le cadre du power-to-gas, le projet Underground Sun Conversion - Flexible combine la Storage associe la production de méthane renouvelable et le stockage d'énergie à grande échelle. La La géométhanisation utilisée transforme dans des réservoirs souterrains le H₂ et du CO₂ en CH₄. Déterminer les paramètres importants pour une mise en oeuvre paramètres d'exploitation au niveau technique, microbiologique et systémique, ainsi que l'intégration conceptuelle dans le système énergétique général et les infrastructure, ainsi que les exigences en matière de géologie est fait. Dans le cadre de ce projet, les potentiels et les possibilités de la géométhanisation ont été élaborées et testées. Une attention particulière a été portée à la flexibilité des operation de l'Underground Sun Conversion - Flexible Storage, y compris les considérations conceptuelles, la localisation de sites géologiquement et optimale en termes d'infrastructures, ainsi que les opérations réelles de géométhanisation dans le terrain et lors d'essais d'accompagnement à l'échelle du laboratoire.

Les tests réalisés sur cette installation ont permis de démontrer la sécurité du stockage et de la conversion de H₂ et de CO₂ dans un réservoir souterrain, en reproduisant les conditions réelles à grande échelle. De plus, l'utilisation de certains modes d'exploitation a permis d'obtenir une augmentation des taux de conversion en méthane. Ceci est étayé par les résultats d'expériences en laboratoire. Les réactions qui se produisent, les micro-organismes impliqués et les conditions marginales de la géo-méthanisation ont pu y être décrits plus en détail. Des concepts d'installations interagissant avec des installations aériennes et souterraines ont été développés, et les trois plus prometteurs ont été examinés en détail. Une attention particulière a été accordée à la flexibilité de l'interaction avec un futur système énergétique. En ce qui concerne l'intégration de la géo-méthanisation dans le futur système énergétique, différents scénarios de système montrent le potentiel aussi bien pour la Suisse que pour l'Autriche. Pour la Suisse, de nombreux sites prometteurs ont été identifiés pour la mise en oeuvre d'une installation souterraine de conversion solaire, qui sont accessibles à l'infrastructure nécessaire (production d'électricité renouvelable, réseau de gaz, source de CO₂). La question de savoir si ces sites remplissent tous les critères géologiques doit être prouvée par une exploration commerciale. De plus, trois cas d'application pour l'Underground Sun Conversion – Flexible Storage ont été développés afin de démontrer de manière exemplaire le potentiel des produits et des services, notamment dans le domaine du couplage sectoriel.

Les résultats obtenus constituent la base de la mise à l'échelle de la technologie. En combinant le stockage et la conversion dans le cadre du Power to Gas, l'Underground Sun Conversion – Flexible Storage peut apporter une contribution importante au stockage saisonnier de l'énergie et donc à la transition énergétique.