Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Am Flughafen Zürich soll ein grosser Wärme- und Kältespeicher in einer tiefen quartären Rinne erstellt werden. Es wird vermutet, dass an der Basis der Rinnen in ungefähr 300 m Tiefe durchlässige Schichten mit einem geringen Grundwasserfluss vorliegen, welche sehr gut für die Energiespeicherung geeignet wären, bisher aber nicht genutzt werden. Es gibt im Schweizer Mittelland mehrere solcher tiefen quartären Rinnen. Die basalen Aquifere wurden aber bisher nicht systematisch erkundet und getestet. Am Flughafen Zürich soll mit einem Leuchtturm-Pilotprojekt die Rinne mit verschiedenen und neuen geophysikalischen Methoden, sowie einem auf diese Tiefen angepassten Sondier- und Bohrkonzept untersucht und erschlossen werden. Bei erfolgreichem Nachweis soll ein Grossspeicher mit einem langjährigen Monitoring erstellt werden.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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At Zurich Airport, a large heat and cold storage facility is to be built in a deep Quaternary gully. It is assumed that permeable layers with a low groundwater flow are present at the base of the gullies at a depth of about 300 m, which would be very suitable for energy storage, but have not been used so far. There are several such deep Quaternary gullies in the Swiss Plateau. However, the basal aquifers have not yet been systematically explored and tested. At Zurich Airport, a lighthouse pilot project will investigate and develop the channel using different and new geophysical methods, as well as a probing and drilling concept adapted to these depths. If successful, a large-scale reservoir with long-term monitoring will be constructed.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Un grand réservoir de chaleur et de froid doit être construit à l'aéroport de Zurich dans un profond chenal quaternaire. On suppose qu'il existe à la base des caniveaux, à environ 300 m de profondeur, des couches perméables avec un faible débit d'eau souterraine qui se prêteraient très bien au stockage d'énergie, mais qui n'ont pas encore été exploitées. Il existe plusieurs chenaux quaternaires profonds de ce type sur le Plateau suisse. Les aquifères basaux n'ont toutefois pas encore été explorés et testés de manière systématique. A l'aéroport de Zurich, un projet pilote phare doit permettre d'étudier et d'exploiter le chenal à l'aide de différentes et nouvelles méthodes géophysiques, ainsi que d'un concept de sondage et de forage adapté à ces profondeurs. Si les résultats sont concluants, un grand réservoir sera construit avec une surveillance à long terme.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Am Flughafen Zürich soll ein grosser Wärme- und Kälte-Aquiferspeicher in einer ca. 300 m tiefen quartären Rinne erstellt werden. Die Erkundungen mit Geophysik und Sondierbohrungen haben gezeigt, dass in den tiefen Bereichen der Rinne durchlässige Schichten vorliegen. Auf Grund der Rinnenform sowie des vermutlich hohen Alters und geringen Neubildung der tiefen Grundwässer wird erwartet, dass der Grundwasserfluss gering ist. Entsprechend gut eignen sich diese tiefen Schotterlagen für die Wärme- und Kältespeicherung, welche bisher nicht genutzt werden. Es gibt im Schweizer Mittelland mehrere solcher tiefen quartären Rinnen, die ein ähnliches Potential aufzeigen. Diese tiefen Aquifere wurden bisher nicht systematisch erkundet und getestet. Am Flughafen Zürich wird im Rahmen eines Leuchtturm-Pilotprojekts, welches vom Bundesamt für Energie (BFE) gefördert wird, die Rinne mit verschiedenen und neuen geophysikalischen Methoden, sowie einem auf diese Tiefen angepassten Sondier- und Bohrkonzept untersucht und erschlossen. Bei erfolgreichem Nachweis soll ein Grossspeicher mit einem langjährigen Monitoring erstellt werden. Das Pilotprojekt soll die Entwicklung von grossen Wärme-Kälte-Speichern in diesen tiefen Grundwasserleitern vorantreiben. Auf Grund fehlender Untergrunddaten wurde in einer ersten Phase die Lage, Form und Tiefe sowie der interne Aufbau der quartären Rinne mit geophysikalischen Methoden erkundet. Im September und Oktober 2022 erfolgten die Messungen. Es kamen drei Methoden zum Einsatz: die Reflexionsseismik, die passive Seismik und die ERT (Elektrische Resistivitäts Tomographie). Die passive Seismik und ERT wurden ins Messprogramm aufgenommen, da im Rahmen von Förderbeiträgen durch das BFE auch neuere, weniger aufwändige und bisher unübliche Methoden getestet werden sollten. Die reflexionsseismischen Messungen erfolgten entlang von 5 Linien längs und quer über das Flughafengelände mit einer totalen Länge von 12.75 km. Für die passive Seismik wurden 3 NNE-SSE verlaufende Linien quer zur quartären Rinne gewählt. Diese weisen eine totale Länge von 5.38 km auf. Entlang von 2 ERT-Linien mit total 5.72 km Länge wurde die Tauglichkeit der ERT Methode hinsichtlich der Erkundung von tiefen Rinnen überprüft. Mit Hilfe der Reflexionsseismik konnten die Erkundungsziele erreicht werden. Die Lage, Tiefe und Geometrie der Rinne sowie deren interner Aufbau konnten gut abgebildet werden und somit Bohrziele für die nachfolgenden Sondierungen definiert werden. Die maximale Tiefe der Rinne konnte auf ca. 300 m definiert werden. Die passive Seismik und ERT bestätigen und festigen die Messergebnisse der Reflexionsseismik. Es hat sich aber gezeigt, dass die Auflösungsgenauigkeit bzw. die Tiefenabdeckung der beiden alternativen Methoden jeweils zu gering war, um basierend auf diesen allein eine aussagekräftige Interpretation und Bohrzieldefinition vorzunehmen. Da bisher keine Bohrung die tieferen Bereiche der Rinne erbohrt hat, der lithologische Aufbau der Rinne sowie deren genaue Tiefe unbekannt waren, wurde entschieden, mit drei einfachen und günstigen Sondierbohrungen zu starten. Diese hatten zum Ziel, aufgrund der geophysikalischen Untersuchung vermutete tiefliegende, durchlässige und wasserführende Schichten / Schotterlagen in der Rinne nachzuweisen. Zudem sollten diese Bohrungen notwendige geologische Daten für die Planung eines Testbrunnens liefern und helfen, den besten Standort zu wählen. Im Juni und Juli 2023 wurden über das Flughafengelände verteilt, drei bis zu 346 m tiefe Sondierbohrungen entlang der quartären Rinne erstellt. Diese wurden destruktiv mit einer Ton-Polymer-Wasser-Spülung und einem Durchmesser von 152 mm gebohrt. Die Bohrungen haben unter mächtigen Stillwasserablagerungen / Seetonen je zwei Schotterlagen mit einer totalen Mächtigkeit von 42 bis 56 m an der Basis der Rinne erbohrt. In diesen erfolgten deutliche Spülverluste. Das Probenmaterial deutet auf sehr durchlässige Kiese hin. Die Basis der Rinnensedimente bzw. das Top der Molasse wurde im südlichen Rinnenbereich bei 105 m ü. M. und im Norden bei 153 m ü. M. angetroffen. Eine Vertiefung der Rinne nach Süden wurde auch aufgrund der Befunde der Seismik interpretiert. Die angebohrten Lithologiegrenzen und Rinnenbasis korrelieren gut mit der Reflexionsseismik. Jede Bohrung wurde mit einem 2" Stahlrohr ausgebaut, welches im unteren Bereich über eine Länge von 6 m eingefräste Schlitze aufweist. Der Ringraum oberhalb der basalen Schotterlagen wurde bis zur Geländeoberkante mit einer Zementsuspension hinterfüllt. Einfache Auffüllversuche im 2"-Rohr zeigten bei der südlichsten Bohrung, dass eine Wasserzugabe von ca. 206 l/min keinen nennenswerten Anstieg des tiefen Schotter-Grundwasserspiegels erzeugte. Abgeleitete hydraulische Durchlässigkeiten liegen bei 10-4 bis 10-5 m/s. Da die Bohrung nicht entsandet und der Filterkuchen nicht entfernt wurde, sowie nur eine kurze Filterstrecke mit wenigen Filterschlitzen eingebaut wurde, dürften die Durchlässigkeitsbeiwerte tatsächlich deutlich grösser / besser sein. Wird das geothermische Potential des vorgesehenen Testbrunnens mit den ermittelten Werten berechnet, so werden rund 4-8 Brunnen für die Einspeicherung von 14 GWh benötigt. Das angetroffene Potential übertrifft die vorweg gemachten Annahmen. Die Sondierbohrungen haben den Nachweis erbracht, dass die erhofften, basalen durchlässigen Schichten mit einer grösseren Mächtigkeit als angenommen vorliegen. Ein Testbrunnen ist somit gerechtfertigt und bereits in Planung, resp. bereits ausgeschrieben.
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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At Zurich Airport a large-scale thermal repository within an approximately 300 m deep Quaternary channel is planned. With the aid of geophysical exploration and probing, it was demonstrated that the deeper parts of the channel contain hydraulically permeable layers. Due to the shape of the channel it is suspected that the groundwater at this depth may be of old age and hence the groundwater flow potentially is negligible. Therefore, those deep gravel layers are predestined for thermal heat and cold storage. Such thermal repositories have not been used in the past. In the Swiss midlands a vast number of such deep Quaternary channels exist, some of which show a similar potential for thermal energy storage. The deep aquifers have not yet been systematically explored and tested for geothermal storage. At Zurich Airport, as part of a lighthouse pilot project funded by the Swiss Federal Office of Energy (SFOE), the channel was investigated using a variety of traditional and untraditional geophysical exploration methods. Furthermore, a drilling and well development concept was adapted to the depths of interest. Should the further evidence from a test-well be point towards success, a large thermal aquifer repository with long-term monitoring capabilities will be constructed. The pilot project has the intention to advance the development of large-scale geothermal storage facilities in the deep aquifers. Due to a lack of underground data, the location, shape and depth as well as the internal structure of the Quaternary channel were explored with geophysical methods in a first phase. Measurements were acquired in September and October 2022. Three methods were used: reflection seismics, passive seismics and ERT (electrical resistivity tomography). Passive seismics and ERT were included in the measurement programme because non-traditional, less complex and hitherto uncommon methods were to be tested within the framework of subsidies from the SFOE. The reflection seismic measurements were carried out along five lines across the airport area with a total length of 12.75 km. For passive seismics, three NNE-SSE lines were chosen across the Quaternary channel. These have had a total length of 5.38 km. Along two ERT lines with a total length of 5.72 km, the suitability of the ERT method was tested with regard to the exploration of deep Quaternary channels. With the help of reflection seismics, the exploration objectives were achieved. The position, depth and geometry of the channel as well as its internal structure were well mapped and thus drilling targets for the subsequent exploratory wells could be defined. The maximum depth of the channel was defined at approx. 300 m. The passive seismics and ERT confirmed and consolidated the measurement results of the reflection seismics. However, it has been shown that the resolution accuracy or penetration depth of the two alternative methods were too low to make a meaningful interpretation and drilling target definition based on these alone.
As there is no borehole existing, which has drilled into the deeper parts of the channel so far, the lithological strata of the channel and the channel depth were unknown. Therefore, it was decided to start with three simple and inexpensive exploratory boreholes. The aim of these boreholes was to detect deep-lying, permeable and water-bearing gravel layers in the channel. In addition, these boreholes should provide necessary geological data for the planning of a test well and help to choose the best location. In June and July 2023, three exploratory boreholes up to 346 m in depth were drilled along the Quaternary channel scattered across the airport site. A destructive drilling method with a clay-polymerwater mud and a diameter of 152 mm was used. Each borehole drilled into two gravel layers with a total thickness of 42 to 56 m at the base of the channel beneath thick stillwater deposits / lake clays. There were significant mud losses in these gravels. The drill cuttings indicate very permeable gravels. The base of the channel sediments or the top of the molasse was encountered at 105 m a.s.l. in the southern channel area and at 153 m a.s.l. to the north. A deepening of the channel to the south was also interpreted on the seismic data. The drilled lithology boundaries and channel base correlated well with the reflection seismic data and interpretation. Each borehole was developed with a 2" steel pipe with milled slots in the lower section over a length of 6 m. The borehole interval from the top of the ground to the base of the stillwater deposits was cemented. Simple fill tests at the southernmost borehole showed that a water addition of approx. 206 l/min did not produce a significant rise in the water level in the 2" casing. Derived hydraulic permeability is approx. 10-4 to 10-5 m/s. Since the borehole was not de-sanded and the filter cake was not removed, in addition to only having a short filter section with few filter slots installed, it is expected that the permeability coefficients will be significantly greater / better in the test well. If the geothermal potential of the planned test well is calculated with the determined values after the exploratory phase of the project, about 4-8 wells are needed for the storage of 14 GWh of thermal energy. The number of wells required for this geothermal repository after the exploratory phase is potentially lower than was required from the initial estimates. The exploratory boreholes have provided evidence that the presumed basal permeable layers are thicker than assumed. A test well is therefore justified and is already being planned and put out to tender.
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Publikationen / Ergebnisse
(Französisch)
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Un grand stockage de chaleur et de froid en aquifère est prévue de construire à l'aéroport de Zurich dans un chenal quaternaire d'environ 300 m de profondeur. Les explorations géophysiques et les forages de sondage ont prouvé la présence de couches perméables dans les zones profondes du chenal. En raison de la géométrie du chenal, de l'âge élevé et du faible renouvellement des eaux souterraines profondes, on suppose que le flux d'eau souterraine soit faible. En conséquence, les couches de cailloutis profondes se prêtent bien au stockage de chaleur et de froid, qui n'est pas encore exploité. En Suisse, il existe plusieurs chenaux quaternaires profonds de ce type, qui présentent un potentiel similaire. Ces aquifères profonds n'ont pas encore été explorés et testés de manière systématique. A l'aéroport de Zurich, dans le cadre d'un projet pilote phare soutenu par l'Office fédéral de l'énergie (OFEN), le chenal est exploré à l'aide de différentes et nouvelles méthodes géophysiques. En outre, le chenal sera sondé et exploité avec un concept de sondage et de forage adapté à ces profondeurs. En cas de détection réussie, un grand stockage en aquifère sera mis en place avec un monitoring à long terme. Le projet pilote devrait permettre d’avancer le développement de grands stockages de chaleur et de froid dans ces aquifères profonds. Les données sur le sous-sol manquent des informations sur la position, la géométrie et la profondeur. Dans une première phase la structure interne du chenal quaternaire a été explorée par des méthodes géophysiques. Les mesures ont été effectuées en septembre et octobre 2022. Trois méthodes ont été utilisées: la sismique réflexion, la sismique passive et l'ERT (Electric Resistivity Tomography). Dans le cadre de contributions d'encouragement de l'OFEN, il fallait également tester des méthodes moins compliquées et peu courantes. Par conséquence la sismique passive et l'ERT ont été intégrées au programme de mesure. Les mesures de sismique réflexion ont été effectuées le long de cinq lignes à travers le site de l'aéroport. Ces lignes ont une longueur totale de 12,75 km. Pour la sismique passive, trois lignes NNE-SSE ont été choisies en travers du chenal quaternaire. Ces lignes ont une longueur totale de 5,38 km. L’aptitude de la méthode ERT pour explorer les chenaux profonds était à vérifier avec deux lignes ERT d'une longueur totale de 5,72 km. Les objectifs d'exploration ont été atteints à l'aide de la sismique réflexion. La position, la profondeur et la géométrie du chenal ainsi que sa structure interne ont pu être bien définies. Sur cette base, les sites des forages de sondage ont été localisés. La profondeur maximale du chenal a été définie à environ 300 m. La sismique passive et l'ERT confirment et consolident les résultats de mesure de la sismique réflexion. Il s'est toutefois avéré que la précision de résolution et la profondeur de pénétration de ces méthodes alternatives sont trop faibles. Une interprétation détaillée et une définition du site de forage uniquement avec la sismique passive et l'ERT ne sont pas possibles. Aucun forage n'a jusqu'à présent atteint le chenal le plus profond. Par conséquent, la lithologie et la profondeur du chenal étaient inconnues. C'est pourquoi on a commencé par trois forages de sondage simples et peu coûteux. Ces forages devaient permettre de mettre en évidence les couches profondes, perméables et ainsi que les aquifères du chenal. De plus, ces forages devaient fournir les données géologiques nécessaires à la planification d'un puits d'essai et aider à choisir le meilleur site de puits. En juin et juillet 2023, trois sondages de 346 m de profondeur ont été réalisés le long du chenal quaternaire, répartis sur le site de l'aéroport. Les forages ont été réalisés de manière destructive avec la boue de forage en argile-polymère-eau et un diamètre de perçage de 152 mm. Sous des argiles lacustres épaisses les sondages ont foré deux couches de gravier d'une épaisseur totale de 42 à 56 m à la base du chenal. Des pertes signifiantes de boue de forage ont eu lieu dans ces graviers. Les débris de forage indiquent des graviers très perméables. La base des sédiments du chenal, c'est-à-dire le sommet de la molasse, a été rencontrée à 105 m a.s.l. dans la partie sud du chenal et à 153 m a.s.l. dans la partie nord. Un approfondissement du chenal vers le sud a également été interprété sur la sismique. Les confins de la strate forée et la base du chenal sont en bonne corrélation avec la sismique réflexion. Chaque forage a été équipé d'un tube d'acier de 2", qui présente des fentes fraisées dans une partie inférieure sur une longueur de 6 mètres. L'intervalle entre le haut du terrain et la base des argiles lacustres a été remblayée avec une suspension de ciment. De simples essais de remplissage avec un ajout d'eau d'environ 206 l/min n'ont conduit qu'à une faible augmentation du niveau d'eau dans le tube de 2" pour le forage le plus au sud. Les perméabilités hydrauliques déduites se situent entre 10-4 et 10 - 5 m/s. Étant donné que le forage n'a pas été dessablé, le gâteau de filtre n'a pas été retiré, et que seule une section courte de filtre avec quelques fentes de filtre a été installée, les coefficients de perméabilité seront en réalité nettement plus élevés / meilleurs. Si le potentiel géothermique d'un puits est calculé à l'aide des valeurs obtenues, environ 4 à 8 puits sont nécessaires pour stocker 14 GWh de l’énergie thermique. Le nombre de puits qui est requise pour le stockage thermique en aquifère à l’aéroport de Zurich est minoré comparativement à l'hypothèse précédemment. Les forages de sondage ont apporté la preuve que les couches perméables basales espérées sont plus épaisses que prévu. Un puits d’essai est donc justifié et déjà en cours de planification ou d'appel d'offres.
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