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Characterizing and understanding Enhanced Geothermal Systems (EGS) - novel tools and applications in a deep underground laboratory

English title Characterizing and understanding Enhanced Geothermal Systems (EGS) - novel tools and applications in a deep underground laboratory
Applicant Giardini Domenico
Number 197366
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Geophysik ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Other disciplines of Earth Sciences
Start/End 01.04.2021 - 31.03.2025
Approved amount 1'400'000.00
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All Disciplines (5)

Discipline
Other disciplines of Earth Sciences
Other disciplines of Engineering Sciences
Geophysics
Geology
Geochemistry

Keywords (4)

Geophysics; Hydrogeology; Enhanced Geothermal Systems; Induced Seismicity

Lay Summary (German)

Lead
Im Rahmen dieses Projekts sollen die Möglichkeiten und Grenzen von tiefen geothermischen Reservoirs (Enhanced Geothermal Systems (EGS)) detailliert untersucht werden. Die physikalischen Prozesse, die mit der Stimmulierung eines EGS verbunden sind, sind aktuell noch nicht vollständig bekannt. Diese Wissenslücken sollen mit kontrollierten Experimenten im Bedretto Felslabor der ETH Zürich geschlossen werden. Insbesondere sind verschiedene Untersuchungen geplant, mit denen (i) das Risiko von stärkeren Erdbebeben minimiert werden können und (ii) die Eigenschaften des EGS besser charakterisiert werden können.
Lay summary

Gewinnung von Elektrizität aus tiefen geothermischen Reservoirs (Enhanced Geothtermal Systems (EGS)) ist eine äusserst attraktive Option für eine nachhaltige und CO2 emissionsarme Stromgewinnung. Leider haben sich diese Verfahren bis jetzt noch nicht durchsetzen können, da einerseits die Effizienz der Systeme nicht gut genug ist, und das Risiko von signifikanter induzierter Seismizität hoch ist. Ein wichtiger Grund für diesen Misstand ist die Tatsache, dass die mit einem EGS verbundenen physikalischen Prozesse noch schlecht verstanden sind.

Mit diesem Forschungsprojekt sollen verschiedene Wissenslücken bezüglich EGS geschlossen werden. Das Projekt ist in fünf Arbeitspakete aufgeteilt. Im ersten Paket sollen mit verschiedenen aktiven seismischen Methoden zeitliche Änderungen der EGS Reservoir Eigenschaften charakterisiert werden. Zudem soll versucht werden, Erkenntnisse, die mit kleinräumigen Labormessungen gewonnen wurden, auf grössere Skalen (realistische Reservoir Skala) zu erweitern. Das zweite Arbeitspaket beschäftigt sich mit  einer Verbesserung der Zirkulation von Fluiden im Reservoir. Das dritte Arbeitspaket ist  der geophysikalischen Charakterisierung von Bruchsystemen in EGS Reservoirs gewidmet, in denen die Fluidzirkulation stattfindet. Mit Hilfe des vierten Pakets sollen die physikalischen Herdprozesse von sehr kleinen Erdbeben (Magnitude < -3) besser verstanden werden. Schliesslich soll im Rahmen des fünften Arbeitspakets eine Synthese aller Resultate gemacht werden, was in Form von komplexen numerischen Modellierungen angestrebt wird.

Die meisten Feldarbeiten, die im Rahmen dieses Projekts durchgeführt werden, sollen im neuen Bedretto Felslabor durchgeführt werden. Dieses Forschungslabor wurde kürzlich von der ETH Zürich eingerichtet. Es bietet einzigartige Möglichkeiten für die Erforschung von EGS.

Am Ende des Projekts soll das Prozessverständnis bezüglich EGS weiter fortgeschritten sein, sodass es möglich sein wird, effiziente und sichere geothermische Kraftwerke zu planen, die einen signifikanten Beitrag zur Stromversorgung in der Schweiz liefern können.

Direct link to Lay Summary Last update: 03.03.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
172508 Mapping the internal structure of Mars 01.06.2017 Project funding (Div. I-III)
189632 Monitoring and scientific equipment for the Bedretto Deep Underground Laboratory for Geoenergies 01.12.2019 R'EQUIP
182150 In situ stress variations near faults considering fault zone rock rheology - implications for reservoir stimulation and associated seismicity 01.02.2019 Project funding (Div. I-III)
185051 Development and Application of Seismological Techniques for the Analysis of Gravitational Waves Signals in LISA 01.10.2019 Project funding (Div. I-III)
181986 Enabling ambient noise imaging to monitor reservoir development 01.08.2019 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Enhanced Geothermal Systems (EGS) are conceptually an extremely attractive options for generating electricity, but commercial EGS plants were so far rarely successful. The main reason for these failures is the lack of understanding of the physical processes associated with the creation and maintenance of EGS reservoirs. This project is designed to fill this research gap. It will greatly benefit from the newly established infrastructure in the Bedretto Underground Laboratory for Geoenergy research (BULG), and it will also benefit from boreholes and comprehensive monitoring networks that are currently installed in the framework of ongoing Pilot and Demonstration projects at BULG. This offers unique opportunities for addressing important research tasks. Our project is subdivided into three work packages. WP1 is devoted to geophysical characterization. We will develop novel tools for analysing and combining ground-penetrating-radar and active seismic data, with the goal to study fracture apertures, which is a key parameter for EGS reservoir performance. Furthermore, we will establish tools for delineating subtle changes of the elastic host rock properties during the creation of an EGS reservoir. The main objective of WP2 is to enable an efficient circulation within an EGS reservoir. This requires a comprehensive hydraulic characterization and a suitable choice of polymers, with which undesired flow paths can be blocked. The experimental work will be accompanied by extensive numerical simulations. In WP3, we will study the physics of very small earthquake sources (picoseismicity). For larger earthquakes, the literature is vast on this topic, but only very few attempts have been made to characterize picoseismic sources. By means of theoretical studies and experimental data, we will investigate, how source characterization methods, developed for larger earthquake sources, can be modified, such that they are applicable to picoseismic events. The source parameters are expected to provide a wealth of information that will allow the reservoir stimulation process to be characterized and modelled in unprecedented details. Moreover, these parameters will serve as input for two numerical modeling tasks included in WP3. We will further develop Hierarchical Fracture Models for Simulating EGS (HFR-Sim), and we will make significant steps towards a real-time Advanced Traffic Light System (ATLS), which will be required for the creation and maintenance of commercial EGS power plants. The high degree of interaction between the three WPs will stimulate a truly interdisciplinary research environment, which is in our view a key prerequisite for solving the burning problems associated with EGS reservoirs.
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