ARTS – Assessment of the aquifers' reaction to the High-Temperature Borehole Thermal Energy Storage (HT-BTES)

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/502685

Short description (German)

Erdsondenspeicher (BTES) verwenden ein Erdsondenfeld, das die Wärme saisonal speichert und die Erde wie eine Wärmebatterie nutzt. Auf dem gemeinsamen Campus von Empa und Eawag in Dübendorf wurde kürzlich eine einzigartige Hochtemperatur-BTES-Anlage gebaut, die bis zu 65 ºC erreichen kann, um Abwärme im Sommer zu speichern (auch Kühlphase genannt) und im Winter wieder zu nutzen (auch Heizphase genannt). Diese Anlage besteht aus 144 Sonden mit einer Tiefe von 100 m, in denen Rohre in einem geschlossenen Kreislauf Wasser zirkulieren lassen und Wärme mit dem Untergrund austauschen. Es gibt jedoch zunehmend Bedenken hinsichtlich der Auswirkungen der zyklischen Erwärmung des/der darunterliegenden Grundwasserleiter(s). Wir planen, (i) die Reaktion des Grundwassersystems auf zyklische Temperaturänderungen zu überwachen, indem wir drei neue Überwachungs-/Beobachtungsbohrungen (120 m Tiefe) mit einer Reihe von Sensoren und regelmäßigen Probenahmen einsetzen, und (ii) ein thermo-hydro-bio-geo-chemisches Modell für langfristige Vorhersagen zu entwickeln.

Short description (English)

Borehole Thermal Energy Storage (BTES) systems use a ground heat exchanger array that stores heat differently in each season, using the earth like a thermal battery. At the Dübendorf Campus shared by Empa and Eawag, a unique High-Temperature BTES facility that can go up to 65 ºC has been recently built to store waste heat in summer (also called the cooling phase) and reuse it in winter (also called the heating phase). This facility consists of 144 probes of 100 m depth in which closed-loop pipes are used to circulate water and exchange heat with the underground. However, there is an increasing concern of the impacts of the cyclic heating of the underlying aquifer(s). We plan (i) to monitor the reaction of the ground to cyclic changes in temperature by using three new monitoring/observation boreholes (120 m depth) with a number of sensors and periodic sampling, and (ii) to develop a thermo-hydro-bio-geo-chemical model for long-term predictions.

Short description (French)

Les accumulateurs à sondes géothermiques (BTES) utilisent un champ de sondes géothermiques qui stocke la chaleur de manière saisonnière et utilise la terre comme une batterie thermique. Sur le campus commun de l'Empa et de l'Eawag à Dübendorf, une installation BTES haute température unique en son genre a récemment été construite. Elle peut atteindre 65 ºC et permet de stocker la chaleur perdue en été (également appelée phase de refroidissement) et de la réutiliser en hiver (également appelée phase de chauffage). Cette installation se compose de 144 sondes d'une profondeur de 100 mètres, dans lesquelles des tuyaux font circuler de l'eau en circuit fermé et échangent de la chaleur avec le sous-sol. Cependant, il y a de plus en plus d'inquiétudes quant aux effets du réchauffement cyclique du ou des aquifères sous-jacents. Nous prévoyons (i) de surveiller la réaction du système aquifère aux changements cycliques de température en utilisant trois nouveaux puits de surveillance/observation (120 m de profondeur) avec une série de capteurs et un échantillonnage régulier, et (ii) de développer un modèle thermo-hydro-bio-géochimique pour les prévisions à long terme.

Publications / Results (German)

Die unterirdische Wärmespeicherung gilt als eine der vielversprechendsten Alternativen im Hinblick auf die Energiewende und stößt angesichts der bereits weit verbreiteten Nutzung von geothermischen An-lagen im Land auf großes Interesse. Im Falle von einem hohen Energiebedarf werden in der Regel Hochtemperatur Erdsonden-Wärmespeicher (HT-BTES) eingesetzt. Sie nutzen den Untergrund als Wärmetauscher, um je nach Jahreszeit Wärme zu speichern und zurückzugewinnen, wobei der Boden als thermische Batterie dient. Zu den Energiequellen gehören beispielsweise Abwärme aus Kehrricht-verbrennungsanlagen oder aus Kühlanlagen sowie der im Sommer aufgefangene Energieüberschuss aus Solaranlagen. Diese Abwärme kann dann in den Untergrund zurückgeführt werden, damit diese in den kalten Jahreszeiten zur Verfügung steht. HT-BTES-Systeme zeichnen sich durch einen geschlossenen Kreislauf aus, d. h. es findet kein direkter Wasseraustausch mit dem Untergrund statt. Stattdessen besteht das System aus mehreren Bohrlöchern, die jeweils mit einer unabhängigen Rohrschleife ausgestattet sind, durch die das Wasser zirkuliert und Wärme mit dem umgebenden Boden/Gestein ausgetauscht wird. Eine solche Anlage wurde kürzlich im Rahmen der Renovierung des Empa-Eawag-Forschungscampus in Dübendorf (Schweiz) gebaut. Sie besteht aus insgesamt 144 Erdsonden von je 100 m Tiefe, die sich in der Nähe des neuen Parkhauses befinden. Dabei können dem Speicher Temperaturen bis zu 65 ºC zugeführt werden, was zu erwarteten Änderungen der Grundwassertemperatur von etwa 50 ºC führt. Es ist jedoch noch nicht klar, wie diese Temperaturunterschiede auf den herumliegenden Leiter in Bezug sowohl auf die Grundwassereigenschaften wie auch auf den Untergrund als Ökosystem für viele Lebewesen und Mikroorganismen auswirken. Im Projekt ARTS (Aquifer Reaction to Thermal Storage) tragen wir zur Entwicklung umweltfreundlicherer und nachhaltigerer Energiequellen bei, indem wir die Auswirkungen von unterirdischen Wärmespeicherung auf die Umwelt untersuchen. Auf diese Weise können bessere Strategien für ihre Umsetzung vorgeschlagen werden. Forschende aus verschiedenen Gruppen an der Eawag untersuchen die Reaktion des Grundwasserleiters auf die mit dem Betrieb des Erdsondenfelds verbundenen zyklischen Temperaturschwankungen im Untergrund. Neben einem umfassenden Verständnis der lokalen Grundwasserströmung befassen wir uns mit den Auswirkungen der Temperaturänderungen auf die Hydrogeochemie, die Mikrobiologie und das mikrobielle Verhalten, sowie auf die Zusammensetzung der im Untergrund lebenden Fauna. Zu diesem Zweck wurde eine umfangreiche Feldarbeitskampagne ausgearbeitet. Sie umfasst sowohl eine kontinuierliche Überwachung vor Ort als auch zusätzliche regelmäßige Probenentnahme an drei in der Nähe der Anlage installierten Beobachtungsstationen. Die Ergebnisse aus der Überwachung werden für die Erstellung und Kalibrierung eines numerischen Modells (digital twin) verwendet, welches eine genaue Darstellung der hydrobiogeochemischen Prozesse im Untergrund ermöglicht. Das Modell wird ebenfalls für die langfristige Vorhersage des Verhaltens des Grunwasserleiters unter künftigen Betriebsbedingungen des Erdsondenfelds eingesetzt, was zur Optimierung seines Betriebs beiträgt. Im ersten Projektjahr zählen das Einrichten der Beobachtungsstationen und die Auswahl von geeigneten Protokollen für die Probenentnahme zu den wichtigsten Meilensteinen. Drei Beobachtungsbrunnen wurden erstellt und eingerichtet. Sie liegen strategisch unmittelbar neben des Erdsondenfelds sowie abwärts und aufwärts in Grundwasserfliessrichtung. Anfangs Juli 2024 haben wir ebenfalls mit der Probenentnahme für zahlreichen Laboranalyse im Bereich Wasserchemie, Mikrobiologie, und DNA-Spuren (eDNA) begonnen. Die ersten Ergebnisse zeigen bereits ein sehr heterogenes Bild zwischen den beiden Hauptlithologien im Projektgebiet sowie zwischen den drei Beobachtungsstationen. Dies wird sowohl durch die anhaltenden anoxischen Bedingungen in den oberen Seeablagerungen abwärts der Anlage in Fliessrichtung als auch durch das Vorhandensein von stark alkalischem Grundwasser im tieferen Mo-lasse deutlich. Die Hauptprojektziele für die kommenden Monate umfassen die Fortsetzung der Überwachungsaktivitäten, um eine Basislinie des Grundwasserverhaltens im Laufe von einem Jahr zu erhalten. Damit wird ein Verständnis allfälliger saisonaler Änderungen in den untersuchten Prozessen vor der Inbetriebnahme des Erdsondenfelds gewonnen.

Publications / Results (English)

Underground energy storage counts as one of the most promising alternatives regarding the energy transition, and it is met with high interest given the already spread use of geothermal installations in the country. In the case of high energy demands, it is in part achieved through High-Temperature Borehole Thermal Energy Storage (HT-BTES) systems. They rely on the subsoil as a heat-exchanger to both store and recover heat depending on the season, using the ground as a thermal battery. Energy sources include for instance waste heat from waste incineration plants or from cooling installations, as well as the excess of energy captured in the summer months by solar systems, which can be then repurposed by being stored in the subsurface, remaining available for extraction in the winter months. HT-BTES systems are characterized by being closedloop systems, meaning that no direct exchange of water with the underground takes place. Instead, the system is based on an array of boreholes, each one equipped with an independent loop of pipes used to circulate water and exchange heat with the surrounding ground. Such a facility was recently built as part of the renovation of the Empa-Eawag research campus in Dubendorf, Switzerland. It consists of a total of 144 boreholes of 100 m depth each, arranged in a circular array and located in the vicinity of the new parking building. It has the capacity to inject up to 65 ºC in the underlying aquifer, leading to expected changes in the aquifer temperature of around 50 ºC. However, it is not clear yet how these temperature changes could impact the hosting aquifers with regards to both the groundwater properties and the subsoil as an ecosystem for several species and microorganisms. In the ARTS (Aquifer Reaction to Thermal Storage) project, we plan to contribute to the development of greener and more sustainable energy sources by understanding the effects of underground energy storage on the environment, and in that way, suggest better strategies for its implementation. Members of different research groups at Eawag investigate the response of the aquifer to the cyclic changes of temperature induced by the HT-BTES system. Besides a full understanding of the local groundwater flow conditions, we focus our attention on assessing the impact of changes in temperature on hydrogeochemistry, microbiology and microbial behavior, and fauna community composition. This is approached through an extensive field work campaign, consisting of both continuous onsite monitoring and additional periodic sampling and post-analysis on three measurement stations installed in the vicinity of the facility. The outputs from this intensive on-site monitoring and sampling will be employed for the gener-ation and calibration of a numerical model, i.e., digital twin, that will allow a close representation of the hydro-bio-geo-chemical processes in the aquifer. It will be employed for subsequent long-term prediction of the aquifer’s behavior to future operational conditions of the HT-BTES facility, thus contributing to optimizing its operation. Over the course of the first project year, we have focused our efforts on both setting up the installations required for the subsurface monitoring and defining adequate protocols for the different sampling and monitoring activities. This consisted in the drilling and instrumentation of three observation boreholes, which are located strategically upstream, in immediate vicinity, and downstream of the facility, and in the start of sampling activities (July 2024) for water chemistry, microbiology, and environmental DNA (eDNA) analyses. The first data sets obtained have revealed already quite a heterogeneous landscape across the three measurement stations and between the two main lithologies in the project area. This is exposed by both the persistent anoxic conditions in the upper unconsolidated material downstream of the facility and the presence of highly alkaline groundwater in the deeper Molasse sandstone. The work in the following months will try to complement these results to obtain a complete baseline of the aquifer’s behavior during one full year to assess its seasonal changes prior to the first heat charging and dis-charging phase planned for Summer 2025.

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• Interim report 2025_english [PDF] 8'066 kB

Publications / Results (French)

Le stockage souterrain d'énergie est une des solutions les plus prometteuses en ce qui concerne la transition énergétique, et il suscite un grand intérêt compte tenu de l'utilisation déjà répandue des installations géothermiques dans le pays. Il est généralement assuré par des systèmes de stockage en champ de sondes à haute température (HT-BTES). Ces systèmes s'appuient sur le sous-sol comme échangeur de chaleur pour stocker et récupérer la chaleur en fonction de la saison, en utilisant le sol comme une batterie thermique. Les sources d'énergie comprennent par exemple la chaleur résiduelle des usines d'incinération des ordures ménagères ou des installations de refroidissement, ainsi que l'excédent d'énergie capté pendant les mois d'été par les systèmes solaires, qui peut ensuite être réutilisé en étant stocké dans le sous-sol, tout en restant disponible pour l'extraction pendant les mois d'hiver. Les systèmes HT-BTES sont de systèmes en boucle fermée, ce qui signifie qu'il n'y a pas d'échange direct d'eau avec le sous-sol. Le système repose sur un ensemble de sondes, chacun équipé d'une boucle indépendante de tuyaux servant à faire circuler l'eau et à échanger de la chaleur avec le sol environnant. Une installation HT-BTES a été récemment construite sur le nouveau campus de recherche de l'Empa-Eawag à Dübendorf, en Suisse. Elle consiste en un total de 144 forages de 100 m de profondeur chacun, disposés en réseau circulaire et situés à proximité du nouveau parking. Elle a la capacité d'injecter jusqu'à 65 ºC dans l'aquifère sousjacent, ce qui devrait entraîner des changements de la température de l'aquifère d'environ 50 ºC. Cependant, on ne sait pas encore clairement comment ces changements de température pourraient avoir un impact sur les aquifères d'accueil en ce qui concerne à la fois les propriétés des eaux souterraines et le sous-sol en tant qu'écosystème pour plusieurs espèces et microorganismes. Dans le projet ARTS (Aquifer Reaction to Thermal Storage), nous voulons contribuer au développement de sources d'énergie plus vertes et plus durables en comprenant les effets du stockage souterrain de l'énergie sur l'environnement et en proposant ainsi de meilleures stratégies pour sa mise en oeuvre. Des membres de différents groupes de recherche de l'Eawag étudient la réaction de l'aquifère aux changements cycliques de température induits par le système HT-BTES. Outre une compréhension complète des conditions locales d'écoulement des eaux souterraines, nous nous attachons à évaluer l'impact des changements de température sur l'hydrogéochimie, la microbiologie et le comportement microbien, ainsi que sur la composition de la communauté faunistique. Pour ce faire, nous menons une vaste campagne de travaux sur le terrain, consistant à la fois en une surveillance continue sur le site et en un échantillonnage périodique supplémentaire et une post-analyse sur trois stations de mesure installées à proximité de l'installation. Les résultats de cette surveillance sur site seront utilisés pour générer et calibrer un modèle numérique qui permettra une représentation étroite des processus hydrobiogéochimiques dans l'aquifère. Ce modèle sera ensuite utilisé pour la prévision à long terme du comportement de l'aquifère en fonction des conditions d'exploitation futures de l'installation HT-BTES, ce qui contribuera à optimiser son fonctionnement. Au cours de la première année du projet, nous avons concentré nos efforts sur la mise en place des installations nécessaires à la surveillance de la subsurface et sur la définition de protocoles adéquats pour les différentes activités d'échantillonnage et de surveillance. Cela s'est traduit par le forage et l'instrumentation de trois puits d'observation, situés stratégiquement en amont, à proximité immédiate et en aval de l'installation, et par le début des activités d'échantillonnage (juillet 2024) pour les analyses de la chimie de l'eau, de la microbiologie et de l'ADN environnemental (eDNA). Les premiers ensembles de données obtenus ont déjà révélé un paysage hétérogène entre les trois stations de mesure et entre les deux principales lithologies dans la zone du projet. Ce paysage est mis en évidence à la fois par les conditions anoxiques persistantes dans le matériau non consolidé supérieur en aval de l'installation et par la présence d'eaux souterraines hautement alcalines dans le grès de Molasse plus profond. Les travaux des mois suivants tenteront de compléter ces résultats afin d'obtenir une base de référence complète du comportement de l'aquifère pendant une année pour évaluer ses changements saisonniers avant la première phase de chargement et de déchargement de la chaleur prévue pour l'été 2025.