Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Geothermie ist eine der Quellen, mit denen fossile Brennstoffe bei der Wärmeerzeugung und -speicherung ersetzt werden können. Insbesondere die saisonale Hochtemperatur-Untergrundspeicherung (HTS) gilt als wichtiger Bestandteil der Umstellung auf eine CO2-neutrale Energieversorgung. Dies spiegelt sich in der Finanzierung des laufenden Forschungs- und Entwicklungsprojekts «Heatstore» wider, dessen Ziel es ist, eine kommerzielle Demonstration der Speicherung bei Temperaturen von ca. 40 bis ca. 80 °C zu ermöglichen.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Geothermal energy is one of the sources for replacing fossil fuels in heat generation and storage. In particular, High Temperature Seasonal Underground Storage (HTS) is recognised as a component in the transition into CO2 neutral energy supply, as reflected in the funding of the ongoing Heatstore R&D project, which aims to provide a commercial demonstration of storage at temperatures from ~40 to ~80°C.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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L'énergie géothermique est l'une des sources permettant de remplacer les combustibles fossiles dans la production et le stockage de chaleur. En particulier, le stockage souterrain saisonnier à haute température (HTS) est reconnu comme un élément clé de la transition vers un approvisionnement énergétique neutre en CO2, comme en témoigne le financement du projet de R&D « Heatstore » actuellement en cours, qui vise à réaliser une démonstration commerciale du stockage à des températures comprises entre environ 40 et environ 80 °C.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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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.
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Schlussbericht
(Englisch)
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High Temperature Storage systems (HTS) aim at balancing the mismatch between energy production and demand by injecting surplus or residual heat from industrial processes, waste-to-energy plants, or renewable energy sources into deep geological reservoirs for seasonal storage and subsequent recovery when required. As such, they constitute a key enabling technology for increasing the flexibility of renewable energy systems, improving energy security, and reducing greenhouse gas emissions. The VESTA-CH project addresses one of the main challenges limiting the large-scale deployment of High-Temperature Thermal Energy Storage (HTS) systems: the long-term preservation of storage performance under repeated high-temperature operation. Over successive injection and production cycles, coupled thermo-hydro-chemical (THC) processes may alter reservoir properties through permeability changes, mineral dissolution and precipitation, progressively reducing injectivity, productivity, thermal recovery efficiency, and ultimately operational safety. The project therefore aims to develop scientific and engineering methodologies that enable the definition of safe operating envelopes and support the design of more efficient, reliable, and durable HTS systems. To achieve this objective, VESTA-CH combines advanced numerical modelling with laboratory experiments and field observations to investigate the evolution of HTS under different operating conditions. The project develops fully coupled THC simulations to quantify the interaction between fluid flow, heat transport, and geochemical reactions over repeated storage cycles. Particular emphasis is placed on identifying the physical and chemical mechanisms responsible for performance degradation, evaluating the sensitivity of system behaviour to key geological and design and operational parameters, and assessing innovative engineering concepts, including distributed fibre-optic monitoring, horizontal multilateral wells, and advanced well architectures designed to improve heat exchange. Rather than defining site-specific operating limits, which inherently depend on local hydrogeological and thermal conditions, the modelling framework is used to establish generic relationships between reservoir performance and the governing geological, design, and operational parameters. This approach enables the identification of the factors primarily controlling thermal efficiency and provides transferable design principles that can be readily adapted to future HTS projects by incorporating site-specific geology, well architecture, and completion design. VESTA-CH benefits from datasets acquired in the context of the Forsthaus Geospeicher High-Temperature Aquifer Thermal Energy Storage (HT-ATES) project. This project aimed to store excess heat generated by the local utility company Energie Wasser Bern (ewb) within sandstone layers in the Lower Freshwater Molasse (Untere Süsswassermolasse; USM) located at depths ranging from 240 to 500 meters. Following extensive field-testing and stimulation campaigns, it became evident that the permeability of the sandstone formations was too low to allow significant thermal energy storage. As a result, only partial datasets, mainly related to the characterization of the hydrogeological system, were obtained. This limited the achievement of several of the original objectives of the VESTA-CH project, including: (1) the optimization of the injection scheme (pressure and temperature) for the Bern Forsthaus pilot site, (2) the design and validation of the monitoring system, and (3) the assessment of geochemical processes. In the absence of key datasets, this report provides generic recommendations based on the available data and numerical analyses. In particular, the outcomes of VESTA-CH are (1) an advanced, fully coupled numerical framework for simulating TH(M)C processes in both wellbores and reservoirs; (2) generic engineering recommendations for the design of future HTS systems; (3) an integrated monitoring and surveillance concept combining surface instrumentation, downhole sensors, and distributed fibre-optic technologies; (4) generic guidelines for defining safe operational envelopes, including injection and production rates and pressure limits; and (5) a comprehensive assessment of the geochemical risks affecting long-term HTS performance and reliability. By extending the operational lifetime and reliability of HTS installations, VESTA-CH will contribute to reducing the levelised cost of stored thermal energy and facilitate the broader deployment of seasonal heat storage technologies. The project therefore supports the objectives of the Swiss Energy Strategy by providing the scientific and engineering basis required for safe, efficient, and economically viable underground thermal energy storage systems capable of integrating increasing shares of renewable energy into the future energy system.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Les systèmes de stockage thermique à haute température (HTS) visent à équilibrer le décalage entre la production et la demande d’énergie en injectant la chaleur excédentaire ou résiduelle provenant de procédés industriels, d’installations de valorisation énergétique des déchets ou de sources d’énergie renouvelables dans des réservoirs géologiques profonds, afin d’assurer un stockage saisonnier et une récupération ultérieure lorsque cela est nécessaire. À ce titre, ils constituent une technologie clé permettant d’accroître la flexibilité des systèmes énergétiques fondés sur les énergies renouvelables, d’améliorer la sécurité énergétique et de réduire les émissions de gaz à effet de serre. Le projet VESTACH s’attaque à l’un des principaux défis limitant le déploiement à grande échelle des systèmes de stockage thermique à haute température (HTS) : la préservation à long terme des performances de stockage lors d’un fonctionnement répété à haute température. Au cours des cycles successifs d’injection et de production, les processus thermo-hydro-chimiques (THC) couplés peuvent modifier les propriétés du réservoir par des variations de perméabilité ainsi que par la dissolution et la précipitation des minéraux, réduisant progressivement l’injectivité, la productivité, l’efficacité de récupération thermique et, en définitive, la sécurité d’exploitation. Le projet vise donc à développer des méthodologies scientifiques et d’ingénierie permettant de définir des domaines de fonctionnement sûrs (« safe operating envelopes») et de soutenir la conception de systèmes HTS plus efficaces, plus fiables et plus durables. Pour atteindre cet objectif, VESTA-CH combine une modélisation numérique avancée avec des expériences en laboratoire et des observations de terrain afin d’étudier l’évolution des systèmes HTS dans différentes conditions d’exploitation. Le projet développe des simulations THC entièrement couplées afin de quantifier les interactions entre l’écoulement des fluides, le transport de chaleur et les réactions géochimiques au cours de cycles répétés de stockage. Une attention particulière est portée à l’identification des mécanismes physiques et chimiques responsables de la dégradation des performances, à l’évaluation de la sensibilité du comportement du système aux principaux paramètres géologiques, de conception et d’exploitation, ainsi qu’à l’évaluation de concepts d’ingénierie innovants, notamment la surveillance distribuée par fibre optique, des puits horizontaux multilatéraux et des architectures de puits avancées destinées à améliorer les échanges thermiques. Plutôt que de définir des limites d’exploitation spécifiques à un site, qui dépendent intrinsèquement des conditions hydrogéologiques et thermiques locales, le cadre de modélisation est utilisé pour établir des relations génériques entre les performances du réservoir et les principaux paramètres géologiques, de conception et d’exploitation. Cette approche permet d’identifier les facteurs qui contrôlent principalement l’efficacité thermique et fournit des principes de conception transférables pouvant être facilement adaptés à de futurs projets HTS en intégrant la géologie propre au site, l’architecture des puits et leur conception de complétion. VESTA-CH s’appuie sur les jeux de données acquis dans le cadre du projet Forsthaus Geospeicher High-Temperature Aquifer Thermal Energy Storage (HT-ATES). Ce projet avait pour objectif de stocker l’excédent de chaleur produit par le fournisseur local d’énergie Energie Wasser Bern (ewb) dans des couches de grès de la Molasse d’eau douce inférieure (USM), situées à des profondeurs comprises entre 240 et 500 mètres. À la suite de vastes campagnes d’essais sur le terrain et de stimulation, il s’est avéré que la perméabilité des formations gréseuses était trop faible pour permettre un stockage significatif d’énergie thermique. En conséquence, seuls des jeux de données partiels, principalement consacrés à la caractérisation du système hydrogéologique, ont pu être obtenus. Cette situation a limité la réalisation de plusieurs des objectifs initiaux du projet VESTA-CH, notamment : (1) l’optimisation du schéma d’injection (pression et température) pour le site pilote de Bern Forsthaus ; (2) la conception et la validation du système de surveillance et de suivi ; et (3) l’évaluation des processus géochimiques. En l’absence de certaines données essentielles, le présent rapport fournit des recommandations génériques fondées sur les données disponibles et les analyses numériques. Plus précisément, les principaux résultats de VESTA-CH sont: (1) un cadre numérique avancé et entièrement couplé pour la simulation des processus TH(M)C dans les puits et les réservoirs ; (2) des recommandations génériques d’ingénierie pour la conception des futurs systèmes HTS ; (3) un concept intégré de surveillance et de suivi combinant instrumentation de surface, capteurs de fond de puits et technologies distribuées par fibre optique ; (4) des lignes directrices génériques pour la définition des domaines de fonctionnement sûrs, incluant les débits d’injection et de production ainsi que les limites de pression ; et (5) une évaluation complète des risques géochimiques affectant les performances et la fiabilité des systèmes HTS à long terme. En prolongeant la durée de vie opérationnelle et la fiabilité des installations HTS, VESTA-CH contribuera à réduire le coût actualisé de l’énergie thermique stockée et à favoriser le déploiement à plus grande échelle des technologies de stockage saisonnier de chaleur. Le projet soutient ainsi les objectifs de la Stratégie énergétique suisse en fournissant les bases scientifiques et d’ingénierie nécessaires au développement de systèmes souterrains de stockage thermique sûrs, efficaces et économiquement viables, capables d’intégrer une part croissante d’énergies renouvelables dans le futur système énergétique.
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