Thermo-hydro-mechanical-chemical impacts of high-temperature aquifer thermal energy storage

Abstract

(English) High Temperature Aquifer Thermal Energy Storage (HT-ATES) involves the injection and extraction of non-isothermal fluids into aquifers and triggers thermo-hydro-mechanical-chemical processes. These processes must be analysed and understood for obtaining safe and efficient HT-ATES systems. This thesis aims to deepen the understanding of these processes, provide methods and solutions that can be easily and straghtforwardly implemented, for assessing the impact and feasibility of these systems and iii) forecast the system's long-term performance. First, the coupled thermo-hydro-mechanical finite (THM) element code CODE_BRIGHT has been verified against several tests of a benchmark for thermo-hydraulic processes (TH) in geothermal situations. This code has been used in the development of other methods of the thesis. It has been showed that CODE_BRIGHT is competent in performing all these tests. Second, a method that can be used to develop analytical and semi-analytical solutions for calculating reaction rates for non-isothermal cases has been developed. The method assumes that aqueous and mineral reactions are in equilibrium. The chemistry has been decoupled from the TH processes. In the chemical part of the method, batch calculations are performed to obtain dissolution or precipitation of minerals and water chemistry changes due to temperature variations. The TH part consists of calculating temperature and spatial and temporal derivatives of temperature. From this, one can easily calculate both the chemical composition of groundwater and the rates of mineral precipitation or dissolution. The method facilitates comprehension of the dominant reactive transport processes, mineral reaction rates and porosity changes. The application of this method for simulating a HT-ATES system resulted in a reduction of computational costs by a factor of seven compared to a conventional coupled thermo-hydro-chemical numerical code. Third, a dimensional and numerical analysis of the THM behaviour of a pilot HT-ATES system has been proposed. Three dimensionless numbers that could be easily implemented have been obtained: Peclet number and two numbers for the hydraulic and thermal strains. The Peclet number, which has been decomposed in conductive and dispersive terms, is useful to identify the dominant TH flux (advection, dispersion or conduction). Hydraulic and thermal strains numbers relate the strain generated by changes of hydraulic head and temperature, respectively, with respect the initial total strain of the system. This study's findings have revealed information about the main TH fluxes and their domain areas, evolution of the energy efficiency of the system over time and the role of the hydraulic and thermal loads generated by the injection and extraction of hot water in the vertical displacement of the terrain. The study has provided information about the behaviour and efficiency of the system to long term operation. Finally, an analytical solution for calculating ground surface uplift due to point non-isothermal injections which takes into account thermal and hydraulic head changes has been presented. The main advantage of this solution is its easy implementation in a superfast way, in terms of computational cost, in comparison to a standard thermo-hydro-mechanical code. This solution has been verified satisfactorily against results from a coupled THM numerical model and field data (levelling and PS-INSAR) in a leakage case in a geothermal power plant. The results have demonstrated the contribution of hydraulic head and temperature to ground surface displacements and have facilitated an understanding of the effect of the natural geothermal gradient. The solution is useful for forecasting ground displacement resulting from point injections and extractions under various conditions and time scales.

(Català) L'emmagatzematge d'energia tèrmica d’alta temperatura en aqüífers (HT-ATES) implica la injecció i extracció de fluids no isotèrmics en aqüífers, provocant processos termo-hidro-mecànic-químics. Aquests processos han de ser analitzats i compresos per aconseguir sistemes HT-ATES segurs i eficients. Aquesta tesi té com a objectius aprofundir en la comprensió d'aquests processos, proporcionar mètodes i solucions d'implementació fàcil i directa per avaluar l'impacte i la viabilitat dels sistemes HT-ATES, i preveure el rendiment a llarg termini d’aquests sistemes. En primer lloc, s’ha verificat el codi d'elements finits acoblat termo-hidro-mecànic (THM) CODE_BRIGHT davant dels processos termo-hidràulics (TH) en situacions geotèrmiques mitjançant diverses proves d'un benchmark. Aquest codi s'ha utilitzat en el desenvolupament d'altres mètodes de la tesi. S’ha demostrat que CODE_BRIGHT és competent per realitzar totes aquestes proves. En segon lloc, s’ha desenvolupat un mètode que pot ser utilitzat per desenvolupar solucions analítiques i semi-analítiques per calcular les velocitats de reacció en casos no isotèrmics. El mètode assumeix que les reaccions aquoses i de minerals estan en equilibri. S’ha desacoblat la química dels processos TH. En la part química del mètode, es realitzen càlculs per lots en què els minerals es dissolen o precipiten, i la química de l'aigua canvia a causa de les variacions de temperatura. La part TH consisteix a calcular la temperatura i les derivades espacials i temporals de la temperatura. A partir d'això, es pot calcular fàcilment tant la composició química de l'aigua subterrània com les velocitats de precipitació o dissolució dels minerals. El mètode facilita la comprensió dels processos dominants de transport reactiu, les taxes de reacció de minerals i els canvis en la porositat. L'aplicació d'aquest mètode per simular un sistema HT-ATES va reduir els costos computacionals en un factor de set en comparació amb un codi numèric convencional acoblat termo-hidro-químic. En tercer lloc, s’ha proposat una anàlisi adimensional i numèrica del comportament THM d'un sistema pilot HT-ATES. S’han obtingut tres números adimensionals de fàcil implementació: el número de Peclet, que s'ha descompost en els termes conductiu i dispersiu, és útil per identificar els fluxos TH dominants (advecció, dispersió o conducció); i dos números que relacionen la deformació generada pels canvis en la càrrega hidràulica i la temperatura, respectivament, amb la deformació total inicial del sistema. Els resultats han revelat informació sobre els principals fluxos TH i les seves àrees de domini, l'evolució temporal de l'eficiència energètica del sistema i el paper de les càrregues hidràuliques i tèrmiques generades per la injecció i extracció d'aigua calenta en el desplaçament vertical del terreny. L'estudi ha brindat informació sobre el comportament i eficiència del sistema per a la seva operació a llarg termini. Finalment, s’ha presentat una solució analítica per calcular l’aixecament de la superfície terrestre degut a injeccions puntuals no isotèrmics, tenint en compte els canvis de temperatura i de càrrega hidràulica. Els casos d'injecció puntual inclouen la fuga dels pous d'un sistema HT-ATES o d'altres aplicacions geotèrmiques. El principal avantatge d'aquesta solució és la seva fàcil implementació de manera súper ràpida, en termes de cost computacional, en comparació amb un codi estàndard THM. Aquesta solució ha estat verificada satisfactòriament amb els resultats d'un model numèric THM acoblat i dades de camp (nivellació i PS-INSAR) en un cas de fuga d’una planta geotèrmica. Els resultats han demostrat la contribució de la càrrega hidràulica i la temperatura als desplaçaments de la superfície terrestre i han facilitat la comprensió de l'efecte del gradient geotèrmic natural. La solució és útil per preveure el desplaçament del terreny resultant d'injeccions i extraccions puntuals sota diverses condicions o al llarg del temps.

(Español) El almacenamiento de energía térmica de alta temperatura en acuíferos (HT-ATES) implica la inyección y extracción de fluidos no isotérmicos en acuíferos, desencadenando procesos termo-hidro-mecánico-químicos. Estos procesos deben ser analizados y comprendidos para obtener sistemas HT-ATES seguros y eficientes. Esta tesis tiene como objetivos profundizar en la comprensión de estos procesos, proporcionar métodos y soluciones de implementación fácil y directa para evaluar el impacto y la viabilidad de los sistemas HT-ATES, y predecir el rendimiento a largo plazo de estos sistemas. En primer lugar, se ha verificado el código de elementos finitos acoplado termo-hidro-mecánico (THM) CODE_BRIGHT frente a procesos termo-hidráulicos (TH) en situaciones geotérmicas mediante varios tests de un benchmark. Este código se ha utilizado en el desarrollo de otros métodos de la tesis. Se ha demostrado que CODE_BRIGHT es competente para realizar todos los tests. En segundo lugar, se ha desarrollado un método que puede ser utilizado para desarrollar soluciones analíticas y semi-analíticas para calcular las velocidades de reacción en casos no isotérmicos. El método asume que las reacciones acuosas y de minerales están en equilibrio. Se ha desacoplado la química de los procesos TH. En la parte química del método, se realizan cálculos por lotes en los que los minerales se disuelven o precipitan, y la química del agua cambia debido a las variaciones de temperatura. La parte TH consiste en calcular la temperatura y las derivadas espaciales y temporales de la temperatura. A partir de esto, se puede calcular fácilmente tanto la composición química del agua subterránea como las velocidades de precipitación o disolución de los minerales. El método facilita la comprensión de los procesos dominantes de transporte reactivo, las tasas de reacción de minerales y los cambios en la porosidad. La aplicación de este método en un sistema HT-ATES redujo los costos computacionales en un factor de siete en comparación con un código numérico convencional acoplado termo-hidro-químico. En tercer lugar, se ha propuesto un análisis adimensional y numérico del comportamiento THM de un sistema piloto HT-ATES. Se han obtenido números adimensionales de fácil implementación: el número de Peclet, que se ha descompuesto en los términos conductivo y dispersivo, es útil para identificar los flujos TH dominantes (advección, dispersión o conducción); y dos números que relacionan la deformación generada por los cambios en la carga hidráulica y la temperatura, respectivamente, con respecto a la deformación total inicial del sistema. Los hallazgos de este estudio han revelado información sobre los principales flujos TH y sus áreas de dominio, la evolución temporal de la eficiencia energética y el papel de las cargas hidráulicas y térmicas debidas a la inyección de agua caliente en el desplazamiento vertical del terreno. El estudio ha brindado información sobre el comportamiento y la eficiencia del sistema para su operación a largo plazo. Finalmente, se ha presentado una solución analítica para calcular el levantamiento de la superficie terrestre debido a inyecciones puntuales no isotérmicas, teniendo en cuenta los cambios de temperatura y de carga hidráulica. La principal ventaja de esta solución es su fácil implementación de manera súper rápida, en términos de costo computacional, en comparación con un código estándar THM. Esta solución ha sido verificada satisfactoriamente con los resultados de un modelo numérico THM acoplado y datos de campo (nivelación y PS-INSAR) en un caso de fuga de una planta geotérmica. Los resultados han demostrado la contribución de la carga hidráulica y la temperatura en los desplazamientos de la superficie terrestre y han facilitado la comprensión del efecto del gradiente geotérmico natural. La solución es útil para prever el desplazamiento del terreno resultante de inyecciones y extracciones puntuales bajo diversas condiciones o a lo largo del tiempo.