Reservoir temperature characterization from historical environment to future geothermal applications

Da der globale Übergang zu nachhaltiger Energie an Dynamik gewinnt, werden geothermische Ressourcen zunehmend für ihr Potenzial anerkannt, Treibhausgasemissionen zu reduzieren und den steigenden Energiebedarf zu decken. Im Gegensatz zu anderen erneuerbaren Energiequellen bietet die Geothermie eine kontinuierliche Grundlaststromversorgung, die besonders wertvoll für die Dekarbonisierung der Energiesektoren weltweit sein kann. Die effektive Nutzung der Geothermie setzt jedoch voraus, dass die Temperaturverteilung in der Tiefe genau charakterisiert und die komplexe thermische Dynamik innerhalb von Reservoiren umfassend verstanden wird. ... mehrDiese Faktoren sind entscheidend, um das geothermische Potenzial zu bewerten, die Ressourcengewinnung zu leiten und die Wärmespeicherung zu verbessern. Diese Forschung untersucht die grundlegenden Mechanismen, die Temperaturverteilungen in geothermischen Reservoiren prägen, mit einem Fokus auf Wärmeübertragungs- und Fluidströmungsprozesse. Durch den Einsatz fortschrittlicher Modellierungsansätze liefert die Arbeit wichtige Erkenntnisse für die Bewertung geothermischer Reservoirs, die Optimierung der Energiegewinnung und die Gestaltung von Wärmespeichersystemen und ebnet so den Weg für eine nachhaltigere Nutzung der Geothermie.
Diese Arbeit umfasst drei verschiedene Studien, die jeweils einen zentralen Aspekt der geothermischen Reservoirdynamik durch numerische Modellierungstechniken untersuchen. Jede Studie baut auf der Idee auf, dass ein besseres Verständnis des Wärme- und Fluidtransports im Untergrund entscheidend ist, um das Potenzial der Geothermie zu erschließen und geothermische Ressourcen, insbesondere in komplexen gestörten und geklüfteten Reservoiren, genau zu schätzen.
Kapitel 3 untersucht Transportmechanismen in einem gestörten Sandsteinreservoir, das eine kilometerweite Hochtemperaturanomalie mit Temperaturen zwischen 270 und 300°C aufweist. Dieses Phänomen, das im Piesberg-Steinbruch in Nordwestdeutschland beobachtet wurde, wirft Fragen zu den Prozessen auf, die für solche signifikanten thermischen Anomalien in der Tiefe verantwortlich sind. Durch numerische Simulationen identifizieren wir die auftriebgetriebene Konvektion innerhalb der Hauptverwerfung als einen Schlüsselfaktor für die erhöhten Reservoirtemperaturen. Diese Studie untersucht, wie Variationen der Permeabilität, laterale regionale Strömungen (beeinflusst durch topografische Merkmale) und anisotrope Permeabilitätsverteilungen die Fluidströmungswege und die dominanten Wärmeübertragungsmodi beeinflussen können. Unsere Sensitivitätsanalysen zeigen, dass laterale Konvektion im Sandstein und Advektion durch Transferverwerfungen erheblich zu den beobachteten thermischen Anomalien beitragen und die Reservoirtemperaturen deutlich über das leitungsdominierte Niveau anheben (≥ 269°C gegenüber ≤ 250°C in leitungsdominierten Umgebungen). Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der räumlichen Permeabilitätsverteilung, insbesondere in gestörten geologischen Strukturen, für die Beeinflussung von Temperaturprofilen. Die gewonnenen Erkenntnisse bieten wertvolle Informationen zur Verbesserung von Geothermie-Explorationsabläufen und zur Identifizierung von Zonen mit günstigen thermischen Anomalien, die als potenzielle geothermische Reservoirs dienen könnten.
Kapitel 4 und 5 erweitern die Charakterisierung geothermischer Reservoirs, indem temperaturmeldefähige Nanopartikel-Tracer als Werkzeuge zur Kartierung von Temperaturverteilungen in geklüfteten geothermischen Systemen eingeführt werden. Die Nanotracer-Technologie hat sich kürzlich als vielversprechender Ansatz für das Verständnis von Temperaturvariabilitäten in Reservoirheterogenitäten herausgestellt. Mithilfe eines detaillierten numerischen Modells bewerten wir das Verhalten temperaturabhängiger Nanotracer unter realistischen, dreidimensionalen geologischen Bedingungen, wobei Fluidströmung, Wärmeübertragung, Tracertransport und -reaktionen berücksichtigt werden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Durchbruchskurven, die aus mehreren Nanotracern mit unterschiedlichen Temperaturschwellenwerten generiert wurden, effektiv die oberen und unteren Grenzen der Reservoirtemperaturen anzeigen können. Insbesondere weichen Tracer-Spitzenkonzentrationen von bedeutenden thermischen und geologischen Heterogenitäten ab, was eine Kartierung sowohl von Temperatur- als auch von Strukturmerkmalen im gesamten Reservoir ermöglicht. Indem gezeigt wird, wie Nanotracer-Daten präzise Temperaturmessungen entlang primärer Strömungspfade liefern können, unterstreicht diese Studie das Potenzial von Nanopartikeln, die geothermische Ressourcenbewertung voranzutreiben, indem eine genauere Temperaturprofilierung im Untergrund in geklüfteten Reservoirs ermöglicht wird.
Kapitel 6 untersucht den Einfluss des lateralen Wärmetransports im Bohrloch auf die Effizienz hochtemperaturiger Aquifer-Wärmespeichersysteme (HT-ATES), die zunehmend zur Speicherung und Entnahme von Wärme aus Aquiferen für Zeiten hoher Nachfrage genutzt werden. Mit Schwerpunkt auf das HT-ATES-Projekt in Bern, Schweiz, wird ein gekoppelter Simulationsansatz verwendet, der einen eigenen Bohrlochsensor (MOSKIO) mit dem Reservoir-Simulator PorousFlow im MOOSE-Framework integriert, um die Wechselwirkungen zwischen Bohrloch und Reservoir detailliert zu erfassen. Unsere Analyse quantifiziert den Wärmeaustritt entlang des Bohrlochs und untersucht, wie dieser laterale Wärmetransport die Gesamtenergiegewinnungseffizienz beeinflusst. Verschiedene Bohrlochkonfigurationen und Betriebsparameter wie Bohrlochdurchmesser, Verrohrungsmaterialien, Fluidströmungsraten und Einspritztemperaturen werden bewertet, um ihren Einfluss auf die Systemleistung zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen, dass kleinere Bohrlochdurchmesser die Energiegewinnung durch erhöhte Flüssigkeitsextraktionsraten und reduzierte laterale Wärmeverluste verbessern können, während Verrohrungsmaterialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit die lateralen Wärmeverluste um über 50% verringern können. Darüber hinaus beschleunigen hohe Fluidströmungsraten die Energiegewinnung, indem sie die Verweilzeit verkürzen und die thermische Diffusion begrenzen, obwohl höhere Einspritztemperaturen den Gesamtheit Verlustanteil erhöhen. Die Ergebnisse dieser Studie unterstreichen die wichtige Rolle des lateralen Wärmeaustritts im Bohrloch für die HT-ATES-Leistung und liefern Empfehlungen zur Optimierung der Bohrlochkonfiguration zur Verbesserung der Effizienz von Wärmespeichersystemen.
Zusammen tragen diese Studien zu einem umfassenden Verständnis der Temperaturcharakteristik geothermischer Reservoirs bei, von der historischen Umgebung bis hin zu zukünftigen geothermischen Anwendungen. Durch die Untersuchung grundlegender Herausforderungen in der thermischen Dynamik des Untergrunds liefert diese Forschung wertvolle Erkenntnisse für die Verbesserung der geothermischen Ressourcenbewertung, die Optimierung der Gewinnungsmethoden und die Gestaltung effizienter Wärmespeichersysteme. Diese Ergebnisse bieten Wege für eine nachhaltigere Nutzung der Geothermie und unterstreichen die Bedeutung einer detaillierten Untergrundcharakterisierung, um das Potenzial der Geothermie als Eckpfeiler einer dekarbonisierten Energiezukunft zu realisieren.

As the global shift toward sustainable energy intensifies, geothermal resources are increasingly recognized for their potential to contribute to greenhouse gas reductions and fulfill rising energy demands. Unlike other renewable energy sources, geothermal energy offers a continuous, base-load power supply that can be particularly valuable in decarbonizing energy sectors worldwide. However, effective geothermal utilization hinges on accurately characterizing subsurface temperature distributions and gaining an in-depth understanding of complex thermal dynamics within reservoirs. ... mehrThese factors are crucial in assessing geothermal potential, guiding resource extraction, and improving thermal storage capabilities. This research investigates the underlying mechanisms that shape temperature distributions in geothermal reservoirs, focusing on heat transfer and fluid flow processes. By leveraging advanced modeling approaches, the work provides critical insights for geothermal reservoir assessment, optimized extraction, and thermal energy storage design, paving the way for more sustainable geothermal utilization.
This study encompasses three distinct studies, each addressing a core aspect of geothermal reservoir dynamics through numerical modeling techniques. Each study builds upon the idea that a better understanding of subsurface heat and fluid movement is essential to unlocking geothermal energy potential and accurately estimating geothermal resources, especially in complex faulted and fractured reservoirs.
Chapter 3 examines transport mechanisms in a faulted sandstone reservoir that exhibits a kilometer-scale high-temperature anomaly, with recorded temperatures between 270–300°C. This phenomenon, observed in the Piesberg Quarry in northwestern Germany, raises questions about the processes responsible for such significant thermal anomalies at depth. Through numerical simulations, we identify buoyancy-driven convection within the primary fault as a key contributor to elevated reservoir temperatures. This study explores how permeability variations, lateral regional flow (as influenced by topographic features), and anisotropic permeability distributions can impact fluid flow pathways and the dominant heat transfer modes. Our sensitivity analyses reveal that lateral convection within sandstone and advection through transfer faults contribute significantly to the observed thermal anomalies, raising reservoir temperatures well above the baseline conductive levels (≥ 269°C vs. ≤ 250°C in conduction-dominated settings). The findings emphasize the role of spatial permeability distribution, particularly within faulted geological structures, in influencing temperature profiles. The insights gained from this study offer valuable information for enhancing geothermal exploration workflows and for identifying zones with favorable thermal anomalies that could serve as potential geothermal reservoirs.
Chapters 4 and 5 separately advance geothermal reservoir characterization by introducing single-well and doublet temperature-reporting nanoparticle tracer tests as tools for mapping temperature distributions within fractured geothermal systems. Nanotracer technology has recently emerged as a promising approach for understanding temperature variability across reservoir heterogeneities. Using a detailed numerical model, we evaluate the behavior of temperature-reporting nanotracers under realistic three-dimensional geological conditions, considering fluid flow, heat transfer, tracer transport, and reactions. Our findings show that breakthrough curves generated from multiple nanotracers with different temperature thresholds can effectively indicate the upper and lower bounds of reservoir temperatures. Notably, deviations in tracer peak concentrations correspond to significant thermal and geological heterogeneities, allowing for the mapping of both temperature and structural features across the reservoir. By demonstrating how nanotracer data can provide precise temperature measurements along primary flow paths, this study underscores the potential of nanoparticle tracers to advance geothermal resource assessment by enabling more accurate subsurface temperature profiling in fractured reservoirs.
Chapter 6 investigates the influence of wellbore lateral heat transfer on the performance of high-temperature aquifer thermal energy storage (HT-ATES) systems, which are increasingly utilized to store and retrieve thermal energy from aquifers for use in periods of high demand. Focusing on the Swiss Bern HT-ATES project, this study employs a coupled simulation approach that integrates an in-house wellbore simulator (MOSKIO) with the reservoir simulator PorousFlow in the MOOSE framework to capture wellbore-reservoir interactions in greater detail. Our analysis quantifies the heat loss occurring along the wellbore and examines how this lateral heat transfer affects overall energy recovery efficiency. Several wellbore configurations and operational parameters, such as wellbore diameter, casing materials, fluid flow rates, and injection temperatures, are evaluated to determine their impact on system performance. Results show that smaller wellbore diameters can enhance energy recovery by increasing fluid extraction rates and reducing lateral heat loss, while low thermal conductivity casing materials can reduce lateral heat losses by over 50%. Further, high fluid flow rates accelerate energy recovery by decreasing residence time and limiting thermal diffusion, although higher injection temperatures increase overall heat loss fractions. The findings from this study highlight the critical role of wellbore heat loss in influencing HT-ATES performance and provide recommendations for optimizing wellbore configurations to enhance the efficiency of thermal energy storage systems.
Together, these studies contribute to a comprehensive understanding of geothermal reservoir temperature characterization, from the historical environment to future geothermal applications. By addressing fundamental challenges in subsurface thermal dynamics, this research provides valuable insights for advancing geothermal resource assessment, enhancing extraction methods, and improving the design of thermal storage systems. These findings offer pathways for more sustainable geothermal utilization and underscore the importance of detailed subsurface characterization in realizing geothermal energy's potential as a foundation stone of a decarbonized energy future.