Modellering og simulering av geotermisk energi

Geotermisk energi er en fornybar energikilde som brukes til elektrisitetsproduksjon og oppvarming av bygninger. Varmeenergien hentes fra undergrunnen ved å pumpe opp varmt vann fra undergrunnen. Selve berggrunnen er ofte kompakt, noe som fordrer sprekker som vannet kan flyte gjennom. Hvis sprekkene opprinnelig er lukket må de stimuleres, altså påvirkes slik at de utvider seg og forlenges og dermed gjør større gjennomstrømning mulig.

Det er vanskelig å observere prosesser flere kilometer under bakken. Vårt alternativ er å lage en matematisk og numerisk modell, og å bruke datasimuleringer til å utforske prosessene. Modellen kobler sammen prosesser både i sprekkene og i berggrunnen. Vi er særlig interessert i hvordan sprekkene påvirker væskeflyt og varmetransport og hvordan sprekkene selv påvirkes og endrer seg.

Doktorgradsprosjektet omfatter en rekke simuleringer som belyser viktige prosesser og vekselvirkninger. Resultatene viser at væskeinjeksjon kan påvirke sprekkene i betydelig grad, både ved å utvide og forlenge dem. Dette skyldes både økt væsketrykk, særlig i sprekkene, og nedkjøling av berggrunnen rundt sprekken. Væsketrykket er typisk den dominerende drivkraften i begynnelsen, gjerne i en målrettet stimuleringsfase med høy injeksjon, mens nedkjølingseffekten blir viktigere etter hvert som jordvarme utvinnes.

Vi har også simulert hvordan naturlige flytprosesser fører til nedkjøling av stadig nye deler av berggrunnen med påfølgende oppsprekking. Denne mekanismen lar sprekkene grave seg nedover i grunnen mot stadig varmere områder, og kan bidra til at utvinningen kan fortsette selv etter at det opprinnelige reservoaret er betydelig nedkjølt.

Vi har dessuten kombinert modellen med data fra et reservoar på Island. Modelleringen utfyller dataanalysen og bidrar til en bedre karakterisering av berggrunn og sprekkestrukturer. Om man har nok data kan videre anvendelser brukes til å beregne f.eks. hvor mye varmeenergi som kan utvinnes fra et gitt reservoar.

Personalia

Ivar Stefansson er stipendiat i anvendt og beregningsorientert matematikk ved Universitetet i Bergen. Doktorgradsarbeidet hans handler om modellering og simulering av koblede prosesser i porøse medier med sprekker. Arbeidet inngår i ERiS-prosjektet (https://pmg.w.uib.no/eris/) og er gjennomført under veiledning av Inga Berre og Eirik Keilegavlen