Geothermie mit Simulationen sicherer machen

Die Tiefen-Geothermie soll zum Ausbau der erneuerbaren Energien in der Schweiz beitragen. So ist es in der Energiestrategie 2050 vorgesehen. Doch während Geothermie beispielsweise auf der vulkanisch hochaktiven Insel Island verhältnismässig leicht nutzbar ist, ist das auf den Kontinenten oft deutlich schwieriger und risikobehafteter.

In der Schweiz muss man vier bis fünf Kilometer tief bohren, um in ausreichend heisse Regionen der Erdkruste zu gelangen, damit sich Wasser auf die benötigten 160 bis 180 Grad Celsius aufheizen lässt. Dabei fliesst über ein Bohrloch eingepumptes Wasser durch das heisse Gestein, bevor es wieder nach oben gepumpt wird. Ein Problem ist jedoch, dass das Gestein in diesen Tiefen wenig durchlässig ist. «Wir brauchen eine Permeabilität von mindestens 10 Millidarcy, doch in vier bis fünf Kilometern Tiefe findet man typischerweise nur ein Tausendstel dieses Wertes», sagt Thomas Driesner, Professor am Institut für Geochemie und Petrologie der ETH Zürich.

Um das Gestein durchlässiger zu machen, wird unter Druck Wasser in den Untergrund gepumpt. Das Wasser wirkt gegen die Reibung, allfällige Bruchflächen verschieben sich gegeneinander und Spannungen lösen sich. Durch diese sogenannte hydraulische Stimulation erweitern sich die Brüche und werden durchlässiger, sodass das Wasser in der heissen Kruste zirkulieren kann. Die Brüche in der Erdkruste stammen von tektonischen Spannungen, in der Schweiz verursacht durch die Adriatische Platte, die sich nach Norden bewegt und gegen die Eurasische Platte drückt.

Wasserinjektion verursacht Erdbeben

Der Nachteil der hydraulischen Stimulation ist, dass die dadurch hervorgerufenen Bewegungen Erschütterungen verursachen. Diese sollten zwar so schwach sein, dass Menschen sie nicht oder zumindest kaum wahrnehmen. Bei den Geothermie-Projekten in St. Gallen 2013 und Basel 2016 war das aber leider nicht der Fall. In beiden Städten kam es zu Erdbeben mit einer Magnitude grösser als 3. In Basel hörten das die Bewohnerinnen und Bewohner nicht nur durch einen lauten Knall, sondern spürten auch die Erschütterungen.

«Zuvor wurden in Basel insgesamt etwa 11'000 Kubikmeter Wasser in das Bohrloch gepumpt, wodurch der Druck anstieg», sagt Driesner. Anhand statistischer Erhebungen habe man mit den Magnituden 2.4 und 2.9 zwar zwei Grenzwerte für die maximal erlaubte Stärke der erzeugten Erdbeben definiert, und die Wasserzufuhr auch rechtzeitig getoppt. Trotzdem ist es zeitlich verzögert zu stärkeren Erdbeben gekommen. Infolge davon verlor die Geothermie in der Schweiz an Akzeptanz.

Seit den Bohrungen in Basel und St. Gallen ist klar, dass die Idee, bei einem bestimmten Schwellenwert zu stoppen, nicht ausreicht. Darum versuchte der Schweizerische Erdebendienst SED eine Alternative zu finden: Ein auf Gesteinsphysik basierendes sogenanntes «Advanced Trafficlight System» soll während einer hydraulischen Stimulation nahezu in Echtzeit vorhersagen können, ob im weiteren Verlauf spürbare Erdbeben zu erwarten sind. Man begann deshalb am SED eine Software zu entwickeln, die die Reaktion des Untergrundes während einer hydraulischen Stimulation analysiert.

Schnell wurde klar, dass es dafür eine optimierte Software und Hochleistungsrechnen braucht. Über PASC, die Platform for Advanced Scientific Computing, wurde deshalb das Projekt «FASTER» (Forecasting and Assesing Seismicity and Thermal Evolution in geothermal Reservoirs) lanciert, dessen Leiter Driesner ist. Im Projekt arbeiten Forschende des SED, der ETH Zürich und der Università della Svizzera italiana USI sowie Softwareingenieure des zur ETH Zürich gehörenden Nationalen Hochleistungsrechenzentrum CSCS zusammen.

Simulation erkundet den Untergrund

In der Anfangsphase einer hydraulischen Stimulation sind die Wassermengen klein und die Erschütterungen deshalb minimal. Geophone, die die Bodenschwingungen messen, zeigen an, wo und in welchem Abstand sie sich um das Bohrloch ereignen. Diese Signale enthalten bereits ausreichend Informationen für Simulationen auf einem Supercomputer, um die Wahrscheinlichkeit spürbarer Erdbeben im weiteren Verlauf abzuschätzen.

FASTER zielt darauf ab, die Daten in Echtzeit an den CSCS-Supercomputer «Piz Daint» zu liefern, der dann Millionen von möglichen Szenarien durchspielt: die mögliche Anzahl an Brüchen, wie diese aussehen und verlaufen und wie viel Reibung und Spannung sie besitzen. «Davon sind 99,99 Prozent völlig unrealistisch, aber welche wissen wir vorher nicht», sagt Driesner. Innerhalb von kürzester Zeit analysiert «Piz Daint», welches Szenario den Untergrund am besten widerspiegelt. Darauf basierend lässt sich innerhalb von Minuten die Situation einschätzen und entscheiden, wie weiter verfahren werden soll, erklärt Driesner.

Ein Problem ist derzeit noch, dass es den Forschenden an einer realen Testmöglichkeit ihres Systems fehlt, denn vor den Berechnungen auf dem Supercomputer sei es wichtig, Fehlmessungen zu eliminieren und ein bestimmtes Datenformat einzuhalten, betont Driesner. Letztes Jahr hatten die Forschenden auf Island zwar Gelegenheit, die Kommunikation zwischen der Messvorrichtung und dem Computer zu testen, jedoch traten nur spärliche seismische Aktivitäten auf. Nun hoffen die Forschenden, dass sie ihr Tool im Spätsommer im Bedretto Labor testen können.

In diesem geothermischen Labor im Untergrund planen sie ein Gesteinsvolumen zwischen zwei Bohrlöchern mit einem Abstand von hundert Metern in einer Tiefe von etwa 1200 Metern hydraulisch zu stimulieren. Das Ziel der Versuche ist, zu untersuchen, ob durch kontrollierte Stimulation ausreichend Permeabilität geschaffen und zugleich die Stärke der induzierten Erdbeben unter Kontrolle gehalten werden kann. «Es gibt eine ziemlich eindeutige Korrelation – je mehr Wasser wir in den Untergrund pumpen, desto stärker wird das Beben», sagt Driesner. «Wichtig ist zu quantifizieren, wie man nur so viel Wasser reinbringt, um noch auf der sicheren Seite zu sein, aber zugleich die Durchlässigkeit des Gesteins erhöht.»

Akzeptanz für Geothermie steigern

Die Forschenden gehen davon aus, dass das von ihnen entwickelte Tool die Geothermie sicherer machen kann. Darüber hinaus könne es überall dort hilfreich sein, wo künstlich verursachte Erdbeben entstehen können – etwa im Untertagebergbau oder bei der CO₂-Speicherung im Untergrund. Auch hoffen sie, mit dem gewonnenen Wissen Best Practices für die Geothermie-Technik zu etablieren, um damit gezielt Geothermie-Anlagen planen und erfolgreich umsetzen zu können.

Damit dies gelingt und Tiefen-Geothermie routinemässig installierbar wird – so wie es die Energiestrategie 2050 ursprünglich vorsah – braucht es laut Driesner auch Pilotanlagen, um die anwendungsorientierte Grundlagenforschung zu unterstützen.