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Forscher der EPFL und des Bundesamtes für Energie haben Strategien zur Reduzierung des Erdbebenrisikos der Geothermie CO entwickelt2 Lagerung und andere menschliche Aktivitäten finden tief unter der Erde statt.

Obwohl die meisten Erdbeben auf natürliche Ursachen zurückzuführen sind, werden einige – direkt oder indirekt – durch menschliche Aktivitäten ausgelöst. Diese leichten Erschütterungen, die als „induzierte Seismizität“ bezeichnet werden, sind eine der größten Herausforderungen, die die tiefe Geothermie CO mit sich bringt2 Lagerung und andere Tätigkeiten, bei denen Gase und Flüssigkeiten tief unter der Erde injiziert werden.

Forscher des EPFL-Labors für Bodenmechanik (LMS) und des Bundesamtes für Energie (BFE) haben neue Strategien zur Reduzierung des vom Menschen verursachten Erdbebenrisikos entwickelt. Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht Geophysical Journal International.

Spezialanfertigung von tiefen Erdwärmespeichern

Tiefengeothermische Systeme stellen eine nachhaltige, erneuerbare, CO2-freie Energiequelle dar und stehen im Einklang mit der Energiestrategie der Schweizer Regierung für 2050 und ihrer Verpflichtung, CO2-neutral zu sein. Die in der Schweiz eingesetzte Technologie, die so genannte Enhanced Geothermal Stimulation (EGS), stieß jedoch nach den Erdbeben in Basel 2006 und in St. Gallen 2013 auf Rückschläge.

EGS beinhaltet einen Prozess namens hydraulische Injektion, bei dem unter Druck stehende Flüssigkeit in heißes, trockenes und undurchlässiges Gestein – etwa 3 km oder mehr unter der Erdoberfläche – injiziert wird, um ein künstliches geothermisches Reservoir zu schaffen. Das Problem ist, dass dieser Prozess Mikroseismizität oder geringfügiges Zittern und Erdbeben verursachen kann.

Wenn das Wasser unterirdisch injiziert wird und die Gesteinsmatrix füllt, steigt der interstitielle Porendruck an. „Es wird allgemein angenommen, dass dies die einzige Ursache für induzierte Seismizität ist“, sagt Barnaby Fryer, eine Doktorandin am LMS und Hauptautorin der Zeitung. „Aber es ist nicht so einfach. Auch tektonische Beanspruchung oder Fehlergeometrie und -bewegung spielen eine Rolle.“

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Bild © Barnaby Fryer / EPFL Von links nach rechts: normaler Fehler (Dehnungsfehler), Umkehrfehler (Kompressionsfehler), Streichenfehler

Ein zarter Spagat

Fehler werden durch vertikale und horizontale Kräfte verursacht, die auf Abschnitte der Erdkruste wirken. Sie lassen sich in drei Kategorien einteilen: normale oder Dehnungsfehler (bei denen die beiden Abschnitte auseinandergezogen werden), Umkehr- oder Kompressionsfehler (bei denen die beiden Abschnitte gegeneinander gedrückt werden) und Streikschlupffehler (bei denen sich die beiden Abschnitte horizontal bewegen).

Das gemeinsame EPFL- und BFE-Team ging davon aus, dass Fehler stabiler sind – und die Wahrscheinlichkeit eines Erdbebens daher geringer ist -, wenn die Differenzspannung (d. H. Die Differenz zwischen den maximalen und minimalen Spannungen) geringer ist. „Diese Beobachtung warf eine offensichtliche Frage auf“, sagt Gunter Siddiqi, stellvertretender Abteilungsleiter für Energieforschung am BFE und zweiter Autor der Zeitung. „Mit welcher Art von Fehler haben wir es zu tun und was können wir tun, um schwere Beben und Erschütterungen zu begrenzen?“

Die Forscher hatten die Idee, das Reservoir zu „trainieren“, bevor der Stimulationsprozess beginnt. Im Falle eines umgekehrten Fehlers, der mit hohen horizontalen Spannungen verbunden ist, wird kalte Flüssigkeit über einen Zeitraum von mindestens 12 Monaten unterirdisch injiziert. „Wenn sich der Stausee abkühlt, zieht sich das Gestein zusammen“, erklärt Fryer. „Dadurch werden die auf sie einwirkenden Horizontalkräfte gesenkt, wodurch die Differenzspannung verringert und die Wahrscheinlichkeit von Erdbeben verringert wird.“

Den Druck erhöhen

Entgegen der landläufigen Meinung führt das Injizieren von Hochdruckflüssigkeiten in die Erdkruste nicht immer zu Erdbeben. „In fast allen Stauseen ändern sich nur die horizontalen Spannungen erheblich“, sagt Fryer. „Bei einem normalen Fehler sind vertikale Spannungen viel größer als horizontale Spannungen. Wenn Sie eine Flüssigkeit in das Gestein injizieren, steigt der interstitielle Druck. Dies wiederum erhöht die horizontalen Spannungen und schließt die Lücke zwischen den horizontalen und vertikalen Werten.“

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Mit anderen Worten, das Einspritzen von Flüssigkeiten auf diese Weise kann den Fehler tatsächlich stabilisieren, vorausgesetzt, die Spannungen im Inneren des Reservoirs reagieren ausreichend auf Änderungen des Überwachungsdrucks. „Deshalb ist es so wichtig, die Eigenschaften eines Reservoirs zu kennen, bevor Sie mit der Injektion beginnen“, fügt Fryer hinzu.

Vielversprechende Anwendungen

Diese Forschung liefert wichtige Erkenntnisse für die Industrie und hilft Unternehmen möglicherweise dabei, Wege zu finden, um die Wahrscheinlichkeit einer induzierten Seismizität zu verringern. „Wenn Sie alle möglichen Szenarien verstehen und entsprechend handeln, könnte dies den Weg für vielversprechende reale Anwendungen ebnen“, sagt Siddiqi.