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Verbundprojekt "Wasserkraft und Geoenergie"

 

Der Übergang zu CO2-freien Energiesystemen bedingt den Ausbau etablierter Technologien wie Wasserkraft sowie die Weiterentwicklung neuer Energiequellen wie geothermische Wärme oder Elektrizität. Das Projekt leistet einen wichtigen Beitrag zu diesem Ziel, indem es das Potenzial für neue Wasserkraftwerke aufzeigt und Erkenntnisse zum Untergrund und dessen Nutzung bereitstellt.

Projektbeschrieb (abgeschlossenes Forschungsprojekt)

Mit der Energiestrategie 2050 sollen die energiebedingten CO2-Emissionen substanziell reduziert und gleichzeitig der Ausstieg aus der Kernenergie vollzogen werden. Notwendig sind deshalb neue Energiequellen wie geothermische Elektrizität und Wärme, die Anpassung und der Ausbau bestehender Quellen wie Wasserkraft sowie zusätzliche Optionen wie die geologische CO2-Speicherung.

Ziel

Die grösste Schwierigkeit für die Geoenergie und geologische CO2-Speicher sind unzureichende Kenntnisse über den Untergrund. Zur Lösung dieses Problems wurden neue geophysikalische Explorationstechniken und numerische Simulationstools entwickelt. Die künftige Herausforderung für die Wasserkraft wird darin bestehen, die Produktion zu steigern und gleichzeitig die Infrastruktur und die Betriebsstrategien an Faktoren wie den Klimawandel und eine ökologisch verträgliche Wassernutzung anzupassen. Die Subprojekte zielten darauf ab, das Potenzial (und die Herausforderungen) für neue Wasserkraftwerke in einer periglazialen Umgebung abzuklären, die Behandlung von Sedimenten in Entsandungsanlagen zu optimieren und treffendere Prognosen und Betriebskonzepte bereitzustellen, die wirtschaftliche Aspekte und die Wasserökologie berücksichtigen.

Resultate

Die petrothermale Geothermie (Enhanced Geothermal Systems, EGS) bedingt keine natürliche Permeabilität, sondern basiert auf hydraulischer Stimulierung. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Prognoseprogramme entwickelt, die einen Beitrag zur Entwicklung der EGS leisten. Hingegen wurde festgestellt, dass sich der Obere Muschelkalk unter dem Schweizer Mittelland im Allgemeinen nicht für die hydrothermale Stromerzeugung eignet. Der Obere Muschelkalk bietet demnach eine CO2-Speicherkapazität von rund 50 Millionen Tonnen. Diese liegt damit um eine Grössenordnung unter dem theoretischen Potenzial, das im CARMA-Projekt (Carbon Dioxide Management in Power Generation) identifiziert wurde.

Die identifizierten Speicherstandorte für mögliche neue Wasserkraftwerke in einer periglazialen Umgebung in der Schweiz bieten ein zusätzliches Potenzial von 1,1 TWh/Jahr. Für die Ingenieure wurden neuartige Konstruktionsrichtlinien für längere Entsandungsanlagen entwickelt. Genauere meteorologische und hydrologische Prognosen ermöglichen in gewissen Einzugsgebieten eine durchschnittliche jährliche Produktionssteigerung von 4 bis 6 Prozent. Das Verständnis und die Minderung der Risiken im Zusammenhang mit der Geothermie und Wasserkraft wurden mit verschiedenen Ansätzen erweitert.

Bedeutung

Bedeutung für die Forschung

Neue Software-Tools bieten ein virtuelles Testumfeld zur Entwicklung von Protokollen für seismisch sichere und effiziente hydraulische Stimulationen. Neuartige geophysikalische Techniken ermöglichen eine detaillierte Beschreibung von hydraulisch aktiven Frakturen um Bohrlöcher. Neue experimentelle Ansätze zeigen das Verhalten von Frakturen während Hydroshearing-Stimulationen unter Reservoirbedingungen.

Das in dieser Arbeit entwickelte Modell zum subglazialen Sedimenttransport ist das erste seiner Art, das mit Daten kalibriert wurde. Dies bedeutet einen grossen Fortschritt für das Verständnis der Auswirkungen des Gletscherrückzugs auf Sedimente. Eine vergleichende Parameterstudie unter Verwendung eines weiteren numerischen Modells ermöglichte es, die Abscheideleistung mit verschiedenen geometrischen und strukturellen Konstruktionseigenschaften von Entsandungsanlagen in Beziehung zu setzen. Das Projekt zeigte auch das Potenzial hydrometeorologischer Prognosesysteme zur Optimierung der Wasserkraft im Alpenraum.

Bedeutung für die Praxis

Die neu entwickelten Software-Tools werden die Forschung und Entwicklung vorantreiben, die notwendig ist, um bei geothermischen hydraulischen Stimulationen vom Trial-and-Error-Ansatz zum eigentlichen Engineering überzugehen. Neue geophysikalische Bohrtechniken erleichtern die Planung und Umsetzung von hydraulischen Stimulationen und die Reservoirnutzung. Explorationen für die CO2-Speicherung im Oberen Muschelkalk sollten sich auf den Raum Olten-Schaffhausen konzentrieren.

Der Evaluationsrahmen für neue Wasserkraftwerke in periglazialer Umgebung ermöglicht die Wahl potenzieller neuer Ansätze zum Erreichen der Ziele gemäss Energiestrategie 2050. Die neuen Konstruktionsrichtlinien für Entsandungsanlagen könnten in der Wasserbautechnik breit angewendet werden und so zur Nachhaltigkeit der Wasserkraft beitragen, indem Reibung und Abnutzung reduziert und die Effizienz erhöht würden. Durch die operative Anwendung von meteorologischen/hydrologischen Prognosesystemen könnten die Erträge für die bestehenden Wasserkraftanlagen relativ kostengünstig gesteigert werden.

Neue Methoden können die Entscheidungsfindung in der Praxis unter Berücksichtigung der Risiken unterstützen. Beispiele sind das Erkennen von induzierter Seismizität in geothermischen Projekten, das Risiko von Dammbrüchen oder Erdrutschen oder sogar das optimale Verhältnis von Wind- bzw. Solarenergie zur Minderung saisonaler Stromlücken. Die Analyse der Risikokommunikation schliesslich liefert Anhaltspunkte dazu, wie mit der Öffentlichkeit interagiert werden sollte, zum Beispiel mit Blick auf die Akzeptanz neuer Geothermie-Projekte.

Originaltitel

Supply of electricity for 2050: hydropower and geo-energies

Projektverantwortliche

Leiter des Verbundprojekts

  • Prof. Domenico Giardini, Institut für Geophysik, ETH Zürich

Stellvertretender Leiter des Verbundprojekts

  • Prof. François Avellan, Direktor, Laboratoire de machines hydrauliques, EPF Lausanne

Verbundene Projekte

Zu diesem Verbund gehören folgende sieben Forschungsprojekte

Exploration and characterization of deep underground reservoirs

  • Prof. Larryn W. Diamond, Institut für Geologie, Universität Bern; Prof. Jean-Pierre Burg, Prof. Marco Herwegh-Züger, Prof. Klaus Holliger

HEPS4Power - Extended-range Hydrometeorological Ensemble Predictions for Improved Hydropower Operations and Revenues

  • Dr. Massimiliano Zappa, Eidg., Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL, Birmensdorf ZH; Dr. Christoph Spirig, Dr. Mark Liniger, Herr Frédéric Jordan

Potential for future hydropower plants in Switzerland: a systematic analysis in the periglacial environment (PHP)

  • Prof. Robert Michael Boes, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie, ETH Zürich; Prof. Martin Funk, Dr. Ismail Albayrak, Dr. David Vetsch

Adequate sediment handling at high-head hydropower plants to increase scheme efficiency

  • Prof. Robert Michael Boes, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie, ETH Zürich; Dr. Ismail Albayrak, Dr. David Vetsch

Modelling permeability and stimulation for deep heat mining

  • Dr. Thomas Driesner, Institut für Geochemie und Petrologie, ETH Zürich;Prof. Stephan Konrad Matthai, Prof. Rolf Krause, Prof. Stephen Miller

Optimizing Environmental Flow Releases under Future Hydropower Operation (HydroEnv)

  • Prof. Paolo Burlando, Institut für Umweltingenieurwissenschaften, ETH Zürich; Prof. Peter Molnar, Dr. Christopher Robinson, Prof. Tom Battin, Prof. Stuart Lane

Risk Governance of Deep Geothermal and Hydro Energy

  • Prof. Stefan Wiemer, Schweizerischer Erdbebendienst, ETH Zürich; Prof. Peter Burgherr, Dr. Michael Stauffacher, Prof. Bozidar Stojadinovic, Prof. Michael Lehning, Prof. Domenico Giardini

Zusammenarbeit mit anderen NFP-70-Projekten

Verbundprojekt "The Future of Swiss Hydropower: An Integrated Economic Assessment of Chances, Threats and Solutions"

  • Prof. Hannes Weigt, Wirtschaftswissenschaftliche Fakultät, Universität Basel