DEEP-BIOGEOMINES – Combining microbiology and biogeochemical modelling to develop a sustainable exploitation of resources from deep geothermal fluids

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/502863

Short description (German)

In diesem Projekt werden wir die Nutzung mikrobieller Biotechnologien (Pilze und/oder Bakterien und ihre Stoffwechselaktivitäten) untersuchen, um ein nachhaltiges Fließschema für die Nutzung der in tiefen geothermischen Flüssigkeiten in der Schweiz vorhandenen Ressourcen zu entwickeln. Zu diesem Zweck werden wir experimentelle Arbeit und biogeochemische Modellierung kombinieren, um die Ressourcennutzung im Kontext des geothermischen Energiebetriebs zu optimieren, einschließlich der ökologischen Nachhaltigkeit und der wirtschaftlichen Machbarkeit. Dabei werden wir uns mit zwei operativen Aspekten befassen: 1) die Rückgewinnung kritischer Rohstoffe (CRM) unter Berücksichtigung eines Ansatzes, der die gezielte Gewinnung mehrerer CRM ermöglicht; und 2) die Verhinderung von Silikat- und/oder Karbonatablagerungen durch mikrobiell induzierte Ausfällung in Flüssigkeiten mit einer günstigen Zusammensetzung. Letzteres (Karbonatfällung) könnte als zusätzlicher Vorteil für die Betreiber angesehen werden, da es ihnen ermöglicht, CO2 ex-situ durch mikrobiell induzierte Karbonatfällung (MICP) zu immobilisieren. Um die Durchführbarkeit dieser Aspekte zu bestimmen, werden wir zunächst kritische fehlende Informationen (z. B. die mikrobielle Zusammensetzung der Flüssigkeiten) sammeln und diese mit biogeochemischer Modellierung kombinieren, um die Löslichkeit ausgewählter Elemente (ZRM und/oder Ca, Mg, Si), die mit der gewünschten mikrobiellen Aktivität in Zusammenhang stehen, gezielt zu verstehen und zu verändern. Gleichzeitig werden die beiden Prozesse experimentell evaluiert, um Proof-of-Concept-Daten zu generieren, um die biogeochemische Modellierung für verschiedene Flüssigkeitszusammensetzungen zu verbessern. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir in diesem Projekt durch die Kombination von experimenteller Arbeit und biogeochemischer Modellierung in einer iterativen Schleife ein Vorhersageinstrument zur Abschätzung des Potenzials der Extraktionsraten ausgewählter CRM und der Ablagerungsverhinderung für die verschiedenen Arten von geothermischen Flüssigkeiten, die in der Schweiz vorkommen, und die entsprechende Art der geothermischen Anwendung entwickeln wollen. Ein solcher Ansatz wird es ermöglichen, die Schaffung zukünftiger Geschäftsmöglichkeiten für die Hochskalierung und Validierung der Prozesse im industriellen Maßstab zu fördern.

Short description (English)

In this project we will investigate the use of microbial-based biotechnologies (fungi and/or bacteria and their metabolic activities) to develop a sustainable flowsheet for the exploitation of resources present in deep geothermal fluids in Switzerland. To do this, we will combine experimental work and biogeochemical modelling to optimize resource exploitation within the geothermal energy operation context, including environmental sustainability and economic feasibility. For this, we will address two operational aspects: 1) the recovery of critical raw materials (CRM) considering an approach allowing the targeting of multiple CRM; and 2) the prevention of silica- and/or carbonate-scaling by microbially induced precipitation in fluids with a favorable composition. The latter (carbonate precipitation) could be considered an additional benefit for operators allowing them to immobilize CO2 ex-situ using microbially-induced carbonate precipitation (MICP). To determine the feasibility of these aspects, we will first gather critical missing information (e.g., microbial composition of the fluids) and combine this with biogeochemical modelling to specifically understand and change the solubility of selected elements (CRMs and/or Ca, Mg, Si) associated to the desired microbial activity. Simultaneously, the two processes will be evaluated experimentally to generate proof-of-concept data in order to improve the biogeochemical modelling for different fluid compositions. In conclusion, in this project, by combining experimental work and biogeochemical modelling in an iterative loop we aim at obtaining a predictive tool to estimate the potential of extraction rates of selected CRM and scaling prevention for the different types of geothermal fluids occurring in Switzerland and the corresponding type of geothermal application. Such an approach will allow to promote the creation of future business opportunities for the upscaling and validation of the processes at an industrial scale.

Short description (French)

Dans ce projet, nous étudierons l'utilisation des biotechnologies microbiennes (champignons et/ou bactéries et leurs activités métaboliques) pour développer un schéma d'exploitation durable des ressources présentes dans les fluides géothermiques profonds en Suisse. Pour ce faire, nous combinerons le travail expérimental et la modélisation biogéochimique afin d'optimiser l'exploitation des ressources dans le contexte de l'exploitation de l'énergie géothermique, y compris la durabilité environnementale et la faisabilité économique. Pour ce faire, nous aborderons deux aspects opérationnels : 1) la récupération des matières premières critiques (CRM) en considérant une approche permettant de cibler plusieurs CRM ; et 2) la prévention de l'écaillage de la silice et/ou des carbonates par précipitation induite par les microbes dans des fluides ayant une composition favorable. Ce dernier point (précipitation des carbonates) pourrait être considéré comme un avantage supplémentaire pour les opérateurs, leur permettant d'immobiliser le CO2 ex-situ à l'aide de la précipitation des carbonates induite par voie microbienne (MICP). Pour déterminer la faisabilité de ces aspects, nous commencerons par rassembler les informations critiques manquantes (par exemple, la composition microbienne des fluides) et les combinerons avec la modélisation biogéochimique pour comprendre et modifier spécifiquement la solubilité d'éléments sélectionnés (CRM et/ou Ca, Mg, Si) associés à l'activité microbienne souhaitée. Simultanément, les deux processus seront évalués expérimentalement pour générer des données de preuve de concept afin d'améliorer la modélisation biogéochimique pour différentes compositions de fluides. En conclusion, dans ce projet, en combinant le travail expérimental et la modélisation biogéochimique dans une boucle itérative, nous visons à obtenir un outil prédictif pour estimer le potentiel des taux d'extraction de CRM sélectionnés et la prévention de l'entartrage pour les différents types de fluides géothermiques présents en Suisse et le type correspondant d'application géothermique. Une telle approche permettra de promouvoir la création d'opportunités commerciales futures pour la mise à l'échelle et la validation des processus à l'échelle industrielle.