Impact of fractures within the granite during heat extraction

ABSTRACT: Granite bedrock can be exploited as a geothermal heat source for heat extraction. Borehole heat exchangers (BHE) can be installed to harness the geothermal heat from granite. During geothermal heat extraction operations, factors such as the presence of insulation cover, fractures in the bedrock, groundwater flow may influence the capacity of the heat transfer and heat storage. This study numerically simulated BHE in granite bedrock with dry sand cover and evaluated the impacts of seasonal ambient temperature variation and vertical and horizontal fractures in the granite bedrock during geothermal extraction considering a shallow single BHE. The models were developed considering horizontal, vertical, and no fracture conditions. The concept of seasonal energy banking requires to evaluate the impact of charging granite during summer and extraction of charged heat during subsequent winter. The results of seasonal energy banking was compared with the scenario where bedrock was not charged during summer. The simulation results showed that the outlet temperatures of the BHE intercepting vertical fractures were found to be less than the BHEs intercepting horizontal fractures in the granite. An insignificant impact on the porous matrix was also found corresponding to the constant surface temperature vs. variable surface temperature due to the presence of a dry sand layer suggesting that the dry sand layer acted as an insulating layer between air and granite. The model output suggested that slightly more energy can be extracted from the BHEs when the granite was charged with heat during summer months compared to the energy extraction from uncharged granite. The heat output obtained from the simulation was found to be insignificant due to the limitation of borehole depth and the number of BHEs. Further research should be performed including sensitivity analysis with additional boreholes and different depths to evaluate the potential of the shallow depth BHE during heat extraction of the geothermal usages.

RÉSUMÉ: Le substratum rocheux granitique peut être exploité comme source de chaleur géothermique pour l'extraction de chaleur. Des échangeurs de chaleur de forage (BHE) peuvent être installés pour exploiter la chaleur géothermique du granit. Lors des opérations d'extraction de chaleur géothermique, des facteurs tels que la présence de couverture isolante, des fractures dans le substratum rocheux, l'écoulement des eaux souterraines peuvent influencer la capacité de transfert de chaleur et de stockage de chaleur. Cette étude a simulé numériquement le BHE dans le substratum granitique avec une couverture de sable sec et a évalué les impacts de la variation saisonnière de la température ambiante et des fractures verticales et horizontales dans le substratum granitique pendant l'extraction géothermique en considérant un seul BHE peu profond. Les modèles ont été développés en tenant compte des conditions horizontales, verticales et sans fracture. L'impact du chargement du granit pendant l'été en pompant de l'eau et de l'extraction de la chaleur chargée pendant l'hiver suivant a également été évalué et comparé au scénario où le substrat rocheux n'était pas chargé en été dans cette étude. Les résultats de la simulation ont montré que les températures de sortie des BHE interceptant des fractures verticales étaient inférieures à celles des BHE interceptant des fractures horizontales dans le granite. Un impact insignifiant sur la matrice poreuse a également été trouvé correspondant à la température de surface constante par rapport à la température de surface variable en raison de la présence d'une couche de sable sec suggérant que la couche de sable sec agissait comme une couche isolante entre l'air et le granit. La sortie du modèle a suggéré qu'un peu plus d'énergie peut être extraite des BHE lorsque le granit était chargé de chaleur pendant les mois d'été par rapport à l'extraction d'énergie à partir de granit non chargé. La production de chaleur obtenue à partir de la simulation s'est avérée insignifiante en raison de la limitation de la profondeur du forage et du nombre de BHE. Des recherches supplémentaires devraient être effectuées, y compris une analyse de sensibilité avec des forages supplémentaires et des profondeurs différentes pour évaluer le potentiel du BHE à faible profondeur lors de l'extraction de chaleur des utilisations géothermiques.