In-situ Stimulation und Zirkulation, Grimsel Felslabor, Projekt ISC

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1 In-situ Stimulation und Zirkulation, Grimsel Felslabor, Projekt ISC 5 th Geothermie Kongress 2016, St. Gallen, Olma Messen Florian Amann Joseph Doetsch Valentin Gischig Mohammadreza Jalali Claudio Madonna Keith Evans Maria Klepikova Hannes Krietsch 1

2 Warum sind geothermische Energiesysteme so bedeutsam? Reduktion von Treibhausgasen (CO 2 ) Ölpreisanstieg (CO 2 ) Geothermie produziert keine Treibhausgase Betrifft insbesondere Heizölkosten 2

3 Warum sind geothermische Energiesysteme so bedeutsam? Angst der Bevölkerung vor Kernkraftwerken Chernobyl und Fukushima zeigen das hohe Risiko In der Schweiz decken derzeit 5 Kernkraftwerke 40% des Elektrizitätsbedarfs Diese Kernkraftwerke werden bis 2034 still gelegt und hinterlassen einen Energieengpass von 26 TWh (3 GWe) Geothermische Energiegewinnung kann den Engpass zwar nicht schliessen, aber trägt wesentlich dazu bei wenn tiefe (>5km) Energieresourcen genutzt werden können 3

4 Energiestrategie 2050 (ES2050) Atomausstieg (bis 2034) Steigerung der Energieeffizienz Ausbau der erneuerbaren Energien 7% des nationalen Elektrizitätsbedarf sollen durch die Geothermie gedeckt werden. Dies entspricht 4.4 TWh pro Jahr oder 500 MWe Um die ES 2050 Ziel zu erreichen müssen zwischen 2020 und geothermische Kraftwerke mit je 20MWe ans Netz gehen 4

5 Geothermale Systeme Die ES2050 erwartet 7% des Strombedarfs von der Tiefen-Geothermie 4.4 TWh/a, 500 MWe Sources: Lund, Freeston, Boyd (2010), Hydrothermale System (z.b. St. Gallen) sind hydrothermathermal petro- grossartig geeignet für Heizen und weniger geeignet für Elektrizität heisses Tiefenwasser ist selten und schwer zu lokalisieren In der Schweiz ist die realistischste Nutzung der geothermalen Ressourcen zur Gewinnung von Elektrizität über Petrothermale Systeme (z.b. Basel) 5 5

6 Herausforderung Petrothermale Systeme Der Stimulationsprozess in petrothermalen Systemen ist bis heute kaum kontrollierbar hohe Bohrkosten Risiko ein System mit ungenügenden Kapazität zu erzeugen Risiko einer ungewollten Geometrie des Wärmetauschers Risiko einer kurzen Lebensdauer Risiko gefühlter Seismizität 6

7 Herausforderung Petrothermale Systeme Erdbeben nach Pumpenstop pressure at the time of shut-in pressure at the time of the largest event location largest event Maximal Eventgrössen bei Petrothermalen Systemen / EGS Fenton Hill, New Mexico: M L = 1.0 Rosemanowes, Cornwal: M L = 1.9 Hijiori, Japan: M L = 2.4 Soultz, Frankreich: M L = 2.9 Basel, Schweiz: M L = 3.4 Cooper Basin, Australien: M L = 3.7 Aber auch beim hydrothermalen System in St. Gallen gab es ein Erdbeben der Stärke M L = 3.5 SERIANEX

8 Road Map - Tiefe Geothermie Schweiz Um die grossskalige Nutzung der tiefen Geothermie zur Elektrizitätsgewinnung in der Schweiz zu bewerkstelligen müssen Antworten auf 2 miteinander gekoppelte Schlüsselfragen gefunden werden: (1) Wie kann man einen effizienten Wärmetauscher erzeugen, der nachhaltig genutzt werden kann? (2) Wie kann gleichzeitig das Risiko von induzierten Erdbeben in einem akzeptablen Rahmen gehalten werden? Ein fundamentales Verständnis der THM gekoppelten Prozesse und ihr Bezug auf induzierte Seismizität ist zwingend erforderlich Dies verlangt nach einer multidisziplinären Initiative Im Jahr 2014 wurde das SCCER-SoE ins Leben gerufen welches auf die spezifischen Forschungsfragen der Schweiz fokussiert 8

9 Vorgehen Kontrollierte Randbedingungen Shear Experiment Lab Experiment 1m 0.1m 1m 0.1m 20m 20m Grimsel Experiment Flagship experiment 100 m scale 0.1m Laboratory Tests on intact rock and fractures Micro-seismicity Permeability creation Rate and state friction HM fracture properties 1m Large-scale Shear Tests Micro-seismicity Permeability creation Anisotropic permeability Rate and state friction HM fault/fracture properties 20m Stimulation & Circulation Experiment (FS experiment) Micro-seismicity Permeability creation Pressure propagation during injection / following shut-in Rate and state friction HM fault/fracture properties 9

10 Grimsel Test Site (GTS) Berner Oberland Wallis Meiringen Grimsel pass GTS 10

11 Untergrundlabor Location 3 sets of fault zone with 6 fault zones in total intersecting the target rock volume 11

12 Untergrundlabor S3.2 S3.1 AU Tunnel VE Tunnel S1.3 S1.2 S1.1 KWO Tunnel Detaillierte Kartierung GPR Active seismics OPTV logging Core logging Full Wave velocity logs. S2 AUP Tunnel S1: 142 / 77 S2: 157 / 75 S3: 183 / 65 12

13 Core logging und OPTV imaging 13

14 Tunnel-Tunnel Tomographie: geologische Interpretation VE S1 VE S1 S3 S3 SBH-4 AU AU Traveltime inversion tomogram zeigt S1 und S3 (Karte nach Keusen et al., 1989) Gute Übereinstimmung mit jüngsten Borhlochdaten 14

15 Ground Penetration Radar - Reflection Laaksonlaita, Doetsch 2015 Surface GPR mit unterschiedlichen Antennen (250, 500, 1000Mhz) I Intersection of fault zones II S1 fault zone III three boreholes 15

16 In-situ state of stress and slip tendency PAHL et al. (1989) KONIETZKY & MARSCHALL (1997) 16

17 In-situ state of stress and reactivation pressure friction coefficient 0.85 PAHL et al. (1989) Konietzki and Marschall (1997) Overpressure = σ 3 +6 MPa Overpressure = σ 3 17

18 Spannungsmessungen Layout der ausgeführten Messungen USBM Overcoring HF: Hydraulic Fracturing HTPF: Hydraulic Testing of pre-existing fractures USBM/CSIRO-HI: overcoring probes USBM USBM CSIRO-HI HF HTPF USBM CSIRO-HI HF USBM HF Ausgeführte Messungen: 9 USBM overcores 6 CSIRO-HI overcores 7 hydro-fractures 1 HTPF 18

19 Hydraulic fracturing Hydraulic fracturing Test in SBH-3, 18m Fracture P b P b : break-down pressure RF: re-fracturing ISIP: instantaneous shut-in pressure FB: flow-back measurement RF 1 RF 2 RF 3 SBH 3 HF 1: 18m HF 2: 13m HF 3: 8m Pulse Test ISIP ISIP ISIP FB FB FB FB Impression Packer fracture trace 19

20 Seismische Überwachung borehole streamer with 8 sensors GMuG sensor with mounting Sensor Glaser sensor Wilcoxon sensor During stimulation 20

21 Mikro-Sesmizität während hydraulic fracturing Details of SHB-3 Dip direction and dip of seismicity clouds: HF1: 187/78 HF2: 171/61 HF3: 179/65 21

22 Mikro-Sesmizität während hydraulic fracturing Micro-seismic events and flow rate during re-fracturing 0.7l/min 1.0l/min 1.9l/min 3.0l/min (7s) 48 3 (1, 5,27s) (last 5:02min) following shut-in 22

23 Spannungsheterogenitäten? HF1 Fault HTPF HF3 HF2 HF1 OC1 OC2 Minimum stress orientation: ± N-S HF2 OC3 HF3 Fault HTPF Borehole depth (m) 23

24 Stimulationsphase Hydraulic fracturing (verschiedene Protokolle) & Controlled fault slip SIMFIP (Step Rate Injection Method for Fracture In-situ Properties) erlaubt Stimulation und die gleichzeitige Erfassung von 3D Dislokationen und Druck 2 Bohrlöcher; in jedem eine SIMFIP Guglielmi et al

25 Monitoring Bohrlöcher Injection Stress GPR Passive Stress, Pressure Strain and Measurement and Strain Seismic and Boreholes Active Temperature Temperature and Borehole Seismic Temperature and (DTS) Boreholes Tilt-meter Boreholes Boreholes (FBG) Boreholes Boreholes S3 25

26 Beiträge zur. Diskussion der Druckausbreitung während der Stimulation und Zusammenhang zur Mikroseismizität Alle relevanten HM gekoppelten Prozesses werden auf einer relevanten Skala erfasst (Änderungen des Speicherkapazität, mechanische, hydraulische Reaktionen) Die Druckausbreitung sowie die Mikroseismizität werden erfasst Diskussion der Druckausbreitung nach dem «Shut-in» und Zusammenhang mit Mikroseismizität Shut-in-Phasen sind geplant Druckausbreitung wird erfasst Diskussion der Schaffung von Permeabilität bei aseismischer und seismischer Stimulation Grossteil der Schaffung von permeabilität aseismisch? Aseismisches Verhalten aufgrund «rate-hardening-verhaltens»? 26

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Domenico Giardini Stefan Wiemer Martin Saar Simon Löw Thomas Driesner Hansruedi Maurer Toni Kraft Benoit Valley Hansruedi Fisch Tom Spillmann Gerd Klee 27