On the subsidence of a geothermal energy storage ground due to seasonal freezing and thawing in a subarctic region

Emad Norouzi, Biao Li, R. Emre Erkmen

Dans les comptes rendus d’articles de la conférence: GeoNiagara 2021: 74th Canadian Geotechnical Conference; 14th joint with IAH-CNC

RÉSUMÉ: Il a été soutenu que le stockage saisonnier de l'énergie sera une technologie stratégique pour accroître l'énergie et la sécurité alimentaire dans les communautés hors réseau des pays périphériques. L'utilisation du stockage d'énergie thermique par forage (BTES) est récemment devenue une méthode considérable pour une source d'énergie renouvelable potentielle. Cependant, l'effet du stockage d'énergie thermique peut induire un affaissement du sol en raison de la consolidation thermique des formations de sol environnantes. Ce processus peut également endommager les trous de forage, ce qui affecte les intégrités du puits de forage. Très peu d'études ont été menées pour analyser le géo-risque du stockage d'énergie thermique des forages dans les régions subarctiques. Dans cet article, une analyse thermo-hydro-mécanique entièrement couplée est effectuée sur la base du cadre des éléments finis pour étudier le géo-risque d'affaissement du sol du stockage géothermique. En utilisant l'équation de Clausius-Clapeyron modifiée, le modèle considère le possible changement saisonnier de phase de gel et de dégel. Le modèle est appliqué au stockage géothermique dans la région subarctique de formation de sédiments marins, Nunavik, Québec, Canada. L'impact de la consolidation thermique sur les intégrités du puits de forage est également abordé.

ABSTRACT: It has been held that seasonal energy storage will be a strategic technology to increase energy and food security in the off-grid communities of circum-arctic countries. Using borehole thermal energy storage (BTES) has recently become a considerable method for a potential renewable source of energy. However, the effect of thermal energy storage may induce ground subsidence due to the thermal consolidation of surrounding soil formations. This process might also cause damages to boreholes, which affects the wellbore integrities. Very few studies were conducted to analyze the geo-risk of borehole thermal energy storage in subarctic regions. In this paper, a fully coupled thermal-hydro-mechanical analysis is performed based on the Finite Element framework to investigate the geo-risk of ground subsidence of the geothermal storage. Using the modified Clausius-Clapeyron equation, the model considers the possible seasonal freezing and thawing phase change. The model is applied to geothermal storage in the marine sediment formation subarctic region, Nunavik, Quebec, Canada. The impact of thermal consolidation on wellbore integrities is also addressed.

Please include this code when submitting a data update: GEO2021_219

Retrouver cet article:
Les membres de la Société canadienne de géotechnique peuvent accéder à cet article, ainsi qu'à tous les autres articles de la Conférence Géotechnique Canadienne, dans le Espace membre. Les comptes rendus d'articles sont également disponibles dans de nombreuses bibliothèques.

Citer cet article: