Kurzbeschreibung
(Deutsch)
|
Das Projekt „BEACH“ hat sich zum Ziel gesetzt, die Herausforderungen der Energiewende in der Schweiz durch die Demonstration einer neuen Technologie zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie im Untergrund zu bewältigen. Das Ziel besteht darin, anhand von frakturierten geothermischen Reservoirs zu zeigen, dass diese zur Energiespeicherung geeignet sind, um saisonale Phasen des Energiebedarfsüberschusses auszugleichen. BEACH wird die Technologie im vollständig überwachten und kontrollierten geothermischen Reservoir im Bedretto Underground Laboratory for Geosciences and Geoenergy (BedrettoLab) vorstellen, bevor die Technologie an anderen Standorten in der Schweiz eingeführt wird. Die Arbeit und die Ergebnisse werden eng mit Industriepartnern geteilt, um eine marktreife Technologie zu entwickeln. Dieses Pilotprojekt wird die Schweizer Energiestrategie langfristig unterstützen, indem es die Machbarkeit der geothermischen Energiespeicherung in gebrochenem kristallinem Gestein (FTES-fractured thermal energy storage) aufzeigt.
|
Kurzbeschreibung
(Englisch)
|
Project BEACH proposes to tackle the challenges of the Swiss energy transition with demonstrating a new technology for storing and retrieving energy in the subsurface. The objective is to use fractured geothermal reservoirs, to show that they are suitable for energy storage to compensate for seasonal phases of energy demand surplus. BEACH will showcase the technology at the fully monitored and controlled geothermal reservoir in the Bedretto Underground Laboratory forGeosciences and Geoenergy (BedrettoLab) before rolling out the technology to other sites in Switzerland. The work and findings are closely shared with industry partners to develop a market ready technology. This pilot project will support the Swiss energy strategy in long-term by showing the feasibility of geothermal energy storage in fractured crystalline rocks (FTES-fractured thermal energy storage).
|
Kurzbeschreibung
(Französisch)
|
Le projet « BEACH » a pour objectif de relever les défis de la transition énergétique en Suisse en faisant la démonstration d'une nouvelle technologie de stockage et de récupération d'énergie dans le sous-sol. L'objectif est de démontrer, à l'aide de réservoirs géothermiques fracturés, que ceux-ci peuvent être utilisés pour stocker de l'énergie afin de compenser les phases saisonnières d'excédent de la demande énergétique. BEACH présentera la technologie dans le réservoir géothermique entièrement surveillé et contrôlé du Bedretto Underground Laboratory for Geosciences and Geoenergy (BedrettoLab), avant d'introduire la technologie sur d'autres sites en Suisse. Le travail et les résultats seront étroitement partagés avec des partenaires industriels afin de développer une technologie commercialisable. Ce projet pilote soutiendra la stratégie énergétique suisse à long terme en démontrant la faisabilité du stockage d'énergie géothermique dans des roches cristallines fracturées (FTES-fractured thermal energy storage).
|
Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
|
Im Rahmen des BEACH-Projekts gehen wir zentrale Herausforderungen der Schweizer Energiewende an, indem wir eine neuartige Technologie zur unterirdischen Energiespeicherung demonstrieren: die Fractured Thermal Energy Storage (FTES). Dieses Konzept bietet eine mögliche Lösung für den Ausgleich saisonaler Ungleichgewichte zwischen Energieangebot und -nachfrage, indem im Sommer überschüssige, kostengünstige Wärmeenergie gespeichert und im Winter als Wärme (oder potenziell als Strom) wiedergewonnen wird. Die Nutzung von kristallinen Reservoirs mit Rissstruktur ist für die Schweiz besonders relevant, da grosse Gebiete im Alpenraum solche Formationen in relativ geringer Tiefe aufweisen. Das Projekt verfolgt drei Ziele: (1) die techno-ökonomische Machbarkeit des FTES-Konzepts zu bewerten (Phase I), (2) das Konzept in einer Einzelbohrloch-Konfiguration experimentell zu evaluieren (Phase II) und (3) die Leistungsfähigkeit eines Cross-Hole-Zirkulationssystems (Phase III) im Massstab des BedrettoLabs zu untersuchen. Das übergeordnete Ziel besteht darin, potenzielle Umsetzungsszenarien und die Einführung des FTES für verschiedene Anwendungsfälle, z. B. im Tessin, zu untersuchen. In diesem Dokument tragen wir die Ergebnisse von Phase II zusammen, darunter (1) experimentelle Beobachtungen aus Wärmespeichertests mit einem einzelnen Bohrloch, (2) numerische Modelle, die das beobachtete Verhalten nachbilden und auf verschiedene potenziell effizientere Betriebsbedingungen extrapolieren, sowie (3) den konzeptionellen Entwurf von Cross-Hole-Experimenten für Phase III. Das durchgeführte Wärmespeicher-Experiment stellt ein verkleinertes Modell idealer Betriebsbedingungen dar, die typischerweise Injektionsraten in der Grössenordnung von mehr als 100 l/min bei Temperaturen von über 60 °C beinhalten würden, um Speichereffizienzen von etwa 70 % zu erreichen (siehe Ergebnisse von Phase I). Im BedrettoLab injizierten wir Wasser mit einer Temperatur von 70 °C bei einer konstanten Durchflussrate von 12 l/min in einen 18 m langen Intervall in einer Tiefe zwischen 132 und 150 m in einem mit einem Multi-Packer-System ausgestatteten Bohrloch. Die Heisswasser-Injektionen erfolgten in zwei Zyklen von jeweils mehr als zwei Wochen Dauer, in denen Drücke von bis zu 16 MPa erreicht wurden. Auf jeden Injektionszyklus folgte eine Abschaltphase (Ruhephase) und eine Produktionsphase, in der durch Öffnen des Intervalls Durchflussraten von 3 l/min unter atmosphärischen Druckbedingungen erzielt wurden. Zum Überwachungskonzept gehörten Druck- und Verformungsmessungen in benachbarten Bohrlöchern, Edelgasanalysen, hochauflösende geochemische und mikrobiologische Probenahmen sowie seismische Überwachung, integriert in ein adaptives Ampelsystem als Teil des seismischen Risikomanagements. In diesem ersten Experiment war das Bohrloch oberhalb des Injektionsintervalls nicht thermisch isoliert, was zu erheblichen Wärmeverlusten entlang des Bohrlochs führte, bevor die Zielzone erreicht wurde. Infolgedessen beschränkten sich die thermischen Rückgewinnungswirkungsgrade auf Intervallebene im ersten und zweiten Injektionszyklus auf 6 bzw. 10 %. Wichtig ist, dass trotz dieser bereits im Voraus bekannten nicht idealen Isolierung und der relativ kurzen Injektionsdauer (nur 2 Wochen pro Zyklus) der zweite Zyklus im Vergleich zum ersten eine deutliche Steigerung der thermischen Rückgewinnung aufweist. Dieser Trend steht im Einklang mit dem erwarteten Verhalten von FTES (und im weiteren Sinne von unterirdischen Wärmespeichern), bei denen sich die Speichereffizienz mit wiederholten Lade- und Entladezyklen zunehmend verbessert, während sich das thermische Regime des Reservoirs stabilisiert. Diese Ergebnisse liefern daher ermutigende Hinweise darauf, dass Leistungssteigerungen auch unter ungünstigen Bedingungen erzielt werden können. Sie legen zudem nahe, dass mit einer verbesserten Bohrlochisolierung und einem realistischeren, längerfristigen zyklischen Betrieb wesentlich höhere Wirkungsgrade erreichbar sind. Die laufenden Arbeiten konzentrieren sich auf die Umsetzung dieser Systemverbesserungen und die Ausweitung der Anzahl der Einspeisezyklen, um das Speicherpotenzial des Systems voll auszuschöpfen. In der nächsten Phase, Phase III, wird eine Konfiguration mit querverlaufenden Wärmespeicherbohrungen umgesetzt, bei der ein zusätzliches Einspeise-/Förderbohrloch gebohrt und die Überwachung erweitert wird, um die relevanten Parameter aufzuzeichnen und das FTES-Konzept weiter zu optimieren.
|
Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
|
In the BEACH project, we address key challenges of the Swiss energy transition with demonstrating a novel subsurface energy storage technology: Fractured Thermal Energy Storage (FTES). This concept offers a potential solution for balancing seasonal mismatches between energy supply and demand, by storing excess, low-cost thermal energy during summer and recovering it as heat (or potentially electricity) during winter. The utilization of fractured crystalline reservoirs is particularly relevant for Switzerland, where large portions of the subsurface, especially in the Alpine region, include such formations at relatively shallow depths. The objectives of the project are threefold: (1) to assess the techno-economic feasibility of the FTES concept (Phase I), (2) to experimentally evaluate the concept in a single borehole configuration and to confirm the techno-economic feasibility of FTES (Phase II), and (3) to investigate the performance of a cross-hole circulation system (Phase III) at the BedrettoLab in a scaled manner. The overarching objective is to address potential implementation scenarios and roll-out of the FTES for different cases, e.g. in Ticino. In this document, we report the results of Phase II, including (1) experimental observations from singleborehole heat storage tests, (2) numerical models that reproduce the observed behaviour and extrapolate to different potentially more efficient operating conditions, and (3) the conceptual design of crosshole experiments for Phase III. The conducted heat storage experiment represents a downscaled analogue of ideal operational conditions, which would typically involve injection rates on the order of more than 100 L/min at temperatures of more than 60°C to achieve depth-dependent storage efficiencies of approximately 70% (see outcomes of Phase I). In the BedrettoLab, we injected water at 70°C at a constant flow rate of 12 L/min into an 18 m-long interval located between 132 and 150 m depth in a borehole equipped with a multi-packer system. Hot water injection was performed over two cycles, each exceeding two weeks in duration each, during which pressures reached up to 16 MPa. Each injection cycle was followed by a shut-in period (resting phase) and a production phase, during which flow rates of 3 L/min were achieved under atmospheric pressure conditions by opening the interval. Monitoring activities included pressure and deformation measurements in adjacent boreholes, noble gas analysis, high-resolution geochemical and microbiological sampling, as well as seismic monitoring integrated with an adaptive traffic-light system for seismic risk management. In this first experiment, the borehole was not thermally insulated above the injection interval, leading to significant thermal losses along the wellbore prior to reaching the target zone. As a result, thermal recovery efficiencies at the interval level were limited to 6 and 10% for the first and second injection cycles, respectively. Importantly, despite this a prior known non-ideal insulation and the relatively short injection duration (2 weeks per cycle only), the second cycle exhibits a clear increase in thermal recovery compared to the first. This trend is consistent with the expected behaviour of FTES (and, in broad sense, underground thermal energy storage, UTES), in which storage efficiency improves progressively with repeated load–unload cycles as the reservoir thermal regime stabilizes. These results therefore provide encouraging evidence that performance gains can be achieved even under unfavourable design conditions and strongly suggest that substantially higher efficiencies are attainable with improved wellbore insulation and a more realistic longer-term cyclic operation. Ongoing work focuses on implementing these design improvements and extending the number of injection cycles to fully realize the storage potential of the system. The next phase, Phase III, will go ahead with a cross-hole heat storage configuration, for which an additional injection/production borehole is drilled and the monitoring is expanded to record the relevant parameters to further optimize the FTES concept.
Zugehörige Dokumente
|
Publikationen / Ergebnisse
(Französisch)
|
Dans le cadre du projet BEACH, nous relevons les principaux défis de la transition énergétique suisse en faisant la démonstration d'une technologie innovante de stockage souterrain de l'énergie : le stockage thermique par fracturation (FTES). Ce concept offre une solution potentielle pour compenser les déséquilibres saisonniers entre l'offre et la demande d'énergie, en stockant l'énergie thermique excédentaire et peu coûteuse en été pour la récupérer sous forme de chaleur (ou potentiellement d'électricité) en hiver. L'utilisation de réservoirs cristallins présentant une structure fissurée est particulièrement pertinente pour la Suisse, car de vastes zones de la région alpine possèdent de telles formations à une profondeur relativement faible. Le projet poursuit trois objectifs : (1) évaluer la faisabilité technico-économique du concept FTES (phaseI), (2) évaluer expérimentalement le concept dans une configuration à puits unique (phase II) et (3) étudier les performances d’un système de circulation inter-puits (phase III) à l’échelle du BedrettoLab. L'objectif global consiste à étudier les scénarios de mise en oeuvre potentiels et l'introduction du FTES pour différents cas d'application, par exemple au Tessin. Dans ce document, nous rassemblons les résultats de la phase II, notamment (1) les observations expérimentales issues des essais de stockage de chaleur avec un seul forage, (2) les modèles numériques qui reproduisent le comportement observé et l'extrapolent à différentes conditions d'exploitation potentiellement plus efficaces, ainsi que (3) la conception des expériences inter-forages pour la phase III. L'expérience de stockage thermique réalisée constitue un modèle à échelle réduite des conditions d'exploitation idéales, qui impliqueraient généralement des débits d'injection de l'ordre de 100 l/min et plus à des températures supérieures à 60 °C afin d'atteindre des rendements de stockage d'environ 70 % (voir les résultats de la phase I). Au BedrettoLab, nous avons injecté de l'eau à une température de 70°C à un débit constant de 12 l/min dans un intervalle de 18 m de long, à une profondeur comprise entre 132 et 150 m, dans un forage équipé d'un système Multi-Packer. L'injection de l’eau chaude s'est déroulée en deux cycles d'une durée de plus de deux semaines chacun, au cours desquels des pressions allant jusqu'à 16 MPa ont été atteintes. Chaque cycle d'injection a été suivi d'une phase d'arrêt (phase de repos) et d'une phase de production, durant laquelle des débits de 3 l/min ont été obtenus dans des conditions de pression atmosphérique grâce à l'ouverture de l'intervalle. Le concept de surveillance comprenait des mesures de pression et de déformation dans des puits voisins, des analyses de gaz rares, des prélèvements géochimiques et microbiologiques à haute résolution ainsi qu'une surveillance sismique, intégrée dans un système de feux tricolores adaptatif dans le cadre de la gestion des risques sismiques. Dans cette première expérience, le puits n'était pas isolé thermiquement au-dessus de l'intervalle d'injection, ce qui a entraîné des pertes de chaleur considérables le long du puits avant que la zone cible ne soit atteinte. En conséquence, les rendements de récupération thermique au niveau de l'intervalle se sont limités à 6 % et 10 % respectivement lors des premier et deuxièmes cycles d'injection. Il est important de noter que, malgré cette isolation non optimale connue d'avance et la durée d'injection relativement courte (seulement 2 semaines par cycle), le deuxième cycle présente une augmentation significative de la récupération thermique par rapport au premier. Cette tendance est conforme au comportement attendu des FTES (et, plus largement, des accumulateurs de chaleur souterrains), dans lesquels l'efficacité de stockage s'améliore progressivement au fil des cycles répétés de charge et de décharge, tandis que le régime thermique du réservoir se stabilise. Ces résultats fournissent donc des indications encourageantes quant à la possibilité d'obtenir des gains de performance même dans des conditions défavorables. Ils suggèrent en outre qu'avec une meilleure isolation des puits et un fonctionnement cyclique plus réaliste et à plus long terme, des rendements nettement supérieurs peuvent être atteints. Les travaux en cours se concentrent sur la mise en oeuvre de ces améliorations du système et l'augmentation du nombre de cycles d'injection afin d'exploiter pleinement le potentiel de stockage du système. Au cours de la phase suivante, la phase III, une configuration avec des puits de stockage de chaleur transversaux sera mise en oeuvre : un puits d'injection/extraction supplémentaire sera foré et la surveillance sera étendue afin d'enregistrer les paramètres pertinents et d'optimiser davantage le concept FTES.
|
