Importance of subsurface heterogeneity on the assessment of aquifer thermal energy storage

Recent studies show that installations of Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) for heating/cooling systems can reduce the global environmental impacts of CO2 emissions by 74% and 67% in comparison to traditional ones adopting oil- and natural gas-based fuels, respectively. At low or moderate temperature levels, large-scale ATES systems can have different roles, ranging from seasonal to long-term heat and/or cold storage, aiming to buffer storage for the energy management of solar, thermal, Combined Heat and Power (CHP) plants, as well as smart district energy systems. Present work tries to hint the role of natural aquifer properties on the efficiency of ATES. Our work provides a performance comparison between different subsurface hydrogeological settings via numerical simulations. Adopting measurements collected in three selected locations across the Milan Metropolitan Area (Italy), and by developing a simplified box-model of a confined aquifer, the simulations evaluate the ATES system’s responses in different conditions of (i) heterogeneity of the rock attributes, (ii) seasonal changes of aquifer average temperature and (iii) average hydraulic gradient. The study relies on application of an open-source python-based toolkit, IC-FERST (Regnier et al., 2022). Simulation models have been built accounting for onsite collected measurements of fluid/rock properties, average hydraulic gradient, and seasonal changes of the average aquifer temperature conditions. To constrain responses of the simulations solely to the effects of our studying characteristic parameters, we considered similar well placement and control settings for test cases. For comparison purposes, simulations have been carried out for both considering (i) heterogeneous and (ii) homogeneous permeability / porosity domains. Despite the study not being fully representative of the subsurface environment pertaining the area of investigation, this work serves as a first step towards a full technical feasibility assessment, as it isolates the responses of ATES numerical simulations to the impact of some key aquifer natural characteristics. Overall, our simulation results provide some insights to the role of different components of hydrogeological settings in the performance (recovery efficiency) of ATES systems. Present work confirms that simulating a numerical model characterized by heterogeneous distribution of permeability field may result in lower recovery efficiency (by 15 and 25 percentage points for warm and cold extractions, respectively) than a homogeneous case due to occurrence of irregular preferential flow paths through the reservoir. Indeed, our analysis shows that this behavior depends on interaction of the multiple factors (e.g., rock attributes, hydraulic gradient, thermal parameters, and temperature fields). Unexpected results recorded when the homogeneous case had lower efficiency than the heterogeneous ones (by 10 and 25 percentage points respectively for warm and cold extractions), while contamination between thermal plumes happens for homogeneous test case due to high hydraulic gradient causing. Also, excessive thermal plume contamination can lead to a descending recovery efficiency of the cold well in the homogeneous cases in comparison with heterogenous ones. Our results show that high permeability patches in the heterogeneous scenario can confine the expansion of the thermal plume, promoting sparse preferential flow patterns. This analysis can imply some key elements for further developments of numerical simulations, and eventually, pursue higher levels of complexity to perform feasibility assessment of installing ATES systems.

Studi recenti dimostrano che le installazioni di Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) per sistemi di riscaldamento / raffreddamento possono ridurre l'impatto ambientale globale delle emissioni di CO2 del 74% e del 67% rispetto a quelli tradizionali, adottanti rispettivamente combustibili a base di petrolio e gas naturale. A livelli di temperatura bassi o moderati, i sistemi ATES possono avere su larga scala ruoli diversi, che vanno dall'accumulo stagionale a quello a lungo termine di calore o di freddo come sistemi di buffer per la gestione di impianti solari, termici, di cogenerazione e di sistemi energetici distrettuali innovativi. Il presente lavoro si concentra sul ruolo delle proprietà delle falde acquifere naturali sull'efficienza dei sistemi ATES. Il nostro lavoro fornisce un confronto delle prestazioni tra diversi contesti idrogeologici attraverso simulazioni numeriche. In particolare, adottando misure raccolte in tre località selezionate dell'area metropolitana di Milano (Italia), sviluppando un modello a scatola semplificato di un acquifero confinato, le simulazioni prevedono le risposte del sistema in esame in diverse condizioni di (i) eterogeneità degli attributi della roccia, (ii) variazioni stagionali della temperatura media dell'acquifero e (iii) gradiente idraulico medio. Nonostante lo studio non sia rappresentativo dell'ambiente reale del sottosuolo dell'area di indagine, questo lavoro serve come primo passo verso una valutazione completa della fattibilità tecnica, in quanto isola le risposte dell'efficienza di recupero termico all'impatto di alcune caratteristiche chiave dell'acquifero. Lo studio si basa su un toolkit open-source basato su python sviluppato presso l'Imperial College di Londra (Regnier et al., 2022). Sono stati costruiti modelli di simulazione che tengono conto delle misure raccolte in loco delle proprietà fluido/roccia, del gradiente idraulico medio e delle variazioni stagionali delle condizioni medie di temperatura dell'acquifero. A scopo di confronto, le simulazioni sono state effettuate per simili impostazioni di posizionamento e controllo dei pozzi e sono state testate sia considerando (i) domini eterogenei che (ii) domini omogenei di permeabilità / porosità. Anche se lontani dall'effettiva applicazione di sistemi geotermici a bassa entalpia come l'ATES nell'area di indagine, i risultati forniscono indicazioni sul ruolo delle diverse componenti del contesto idrogeologico nelle prestazioni dei sistemi ATES. La simulazione di un modello con distribuzione eterogenea della permeabilità può comportare un'efficienza di recupero inferiore rispetto al caso omogeneo (da 13 a 26 punti percentuali rispettivamente per recupero caldo e freddo) a causa di percorsi di flusso preferenziali irregolari, ma dipende da fattori come il gradiente idraulico, i parametri termici e i campi di temperatura. Un risultato inaspettato si è verificato quando il caso omogeneo ha avuto un'efficienza inferiore rispetto a quello eterogeneo (da 8 a 26 punti percentuali rispettivamente per recupero caldo e freddo) a causa del posizionamento dei pozzi e dell'elevato gradiente idraulico che ha causato la contaminazione tra i pennacchi termici. Un'eccessiva contaminazione del pennacchio termico può portare a una tendenza decrescente dell'efficienza di recupero del pozzo freddo nel caso omogeneo. Tuttavia, una zona ad alta permeabilità nello scenario eterogeneo può confinare l'espansione del pennacchio termico, promuovendo modelli di flusso preferenziale scarsi. Nel complesso, il confronto tra i diversi casi fornisce indicazioni sull'efficienza di recupero dei sistemi ATES. Il presente lavoro evidenzia alcuni elementi chiave per migliorare ulteriormente le simulazioni numeriche di ATES, al fine di effettuare una valutazione di fattibilità e perseguire livelli di complessità più elevati.