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Geothermal Cooling in Arid Regions: An Investigation of the Jordanian Harrat Aquifer System

Al-Zyoud, Sana'a :
Geothermal Cooling in Arid Regions: An Investigation of the Jordanian Harrat Aquifer System.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, Germany
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Geothermal Cooling in Arid Regions: An Investigation of the Jordanian Harrat Aquifer System
Language: English
Abstract:

Besides applications of heating and power generation geothermal energy has also the potential to significantly contribute to the cooling of buildings. A shallow basaltic aquifer system in north east Jordan was studied for its potential as a geothermal resource for cooling utilization. The groundwater here is used as a geothermal medium for cooling purposes. Cold water is pumped from the reservoir using extraction wells. This water is fed into the buildings’ circuit and heat exchange occurs between the buildings ambient air and the circulating cold water. The recovered warm water is injected again into the ground using injection wells. The thermophysical properties, the mineralogical and geochemical composition of the Jordanian Harrat basalt were examined. This is followed by an assessment of the basalt’s suitability as a geothermal cooling reservoir. Representative thin sections were analyzed for their mineral components and then the results are compiled in a hydrogeothermal and a petrophysical model. Findings of this study will contribute to a better understanding of the relationship between selected petrophysical characteristics of basalt and its heat conducting abilities. A 10 % increase of opaque and ferromagnetic minerals volume proportion in the studied basalts lead to an increase thermal conductivity by approximately 0.5 W m-1 K-1. This may significantly contribute in providing a valuable alternative to direct measurements of the thermal conductivity of basalts in Jordan if sufficient mineralogical data is available. Thus, the prediction of thermal conductivity through modal mineral composition may become a key feature for efficient geothermal system exploration in volcanic and plutonic rocks. Reservoir thermophysical properties were integrated with the hydrological data to develop the numerical model. A GOCAD® 3D structural model was created. Alongside with the reservoir characteristics, this 3D model was implemented into a numerical flow and heat transport model, created with FEFLOW®. This numerical model is used to predict the performance of the geothermal cooling reservoir. Different possible geothermal installations are studied, using various approaches. The study shows that a geothermal utilization of the respective basaltic reservoir is feasible. It features sufficient hydraulic and thermal properties to be utilized for cooling purposes. The developed model has proven to be robust and flexible. It can be easily extended for analyzing other sites.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Geothermie hat neben der Anwendung im Bereich des Heizens und der Stromerzeugung das Potenzial einen bedeutsamen Beitrag zur Gebäudekühlung zu leisten. Ein oberflächennaher basaltischer Aquifer im Nordosten Jordaniens wurde auf sein Potential zur Nutzung im Rahmen der Gebäudekühlung hin untersucht. Das Grundwasser wird dabei in einem offenen Kreislauf als Wärmesenke genutzt. Das kühle Grundwasser wird über Entnahmebrunnen in die Kühlsysteme der zu kühlenden Gebäude geleitet. Dabei kommt es zu einem Wärmeaustausch zwischen der Raumluft und dem Grundwasser. Das so erwärmte Wasser wird über Schluckbrunnen wieder in denselben Aquifer eingeleitet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die thermophysikalischen Eigenschaften des Harrat Basalts bestimmt und auf Grundlage dieser Ergebnisse die Eignung des Gesteins für die geothermische Nutzung bewertet. Dünnschliffe repräsentativer Gesteinsproben wurden petrographisch untersucht, und die Ergebnisse in einem hydrogeothermischen Modell und einem petrophysikalischen Modell zusammengestellt. Die Ergebnisse dieser Arbeit können zu einem verbesserten Verständnis der Petrologie von Basalten und ihrer thermophysikalischen Eigenschaften beitragen. Bei den untersuchten Gesteinsproben führt ein um 10 % höherer Modalbestand an opaken und ferromagnetischen Mineralen zu einer um ca. 0,5 W m-1 K-1 höheren Wärmeleitfähigkeit. Dieser Zusammenhang könnte eine Alternative zu Methoden direkter Wärmeleitfähigkeitsbestimmung darstellen, wenn entsprechende petrologische Daten vorliegen. Demzufolge könnte die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit anhand des Modalbestandes des Gesteins ein Hauptmerkmal der wirtschaftlichen Exploration geothermaler Systeme in vulkanischen und plutonischen Gesteinen werden. Ein numerisches Reservoirmodell wurde unter Berücksichtigung der thermophysikalischen Eigenschaften und von hydrogeologischen Daten erstellt. In einem ersten Schritt wurde ein strukturgeologisches 3D-Modell mit dem Softwaresystem GOCAD erstellt. Zusammen mit den Reservoireigenschaften wurde dieses strukturgeologische 3D-Modell in ein numerisches FEFLOW Wärmetransportmodell überführt. Mithilfe dieses Modells werden die Betriebseigenschaften des Reservoirs unter dem Einfluss einer geothermischen Brunnenanlage zur Gebäudekühlung simuliert. Verschiedene Varianten geothermischer Brunnenanlagen wurden unter verschiedenen Ansätzen untersucht. Die Simulationen belegen die Durchführbarkeit einer Nutzung des basaltischen Aquifers zu Kühlungszwecken, aufgrund ausreichender hydraulischen und thermophysikalischen Eigenschaften. Das erstellte Modell hat sich in den Simulationen als robust und flexibel erwiesen und kann verhältnismäßig einfach auf andere Untersuchungsgebiete übertragen werden.German
Place of Publication: Darmstadt, Germany
Publisher: Technische Universität Darmstadt
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Geothermal System, Jordanian Harrat basalts, FEFLOW model, cooling, well design, cooling performance.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Geowissenschaften > Angewandte Geothermie
Date Deposited: 21 Nov 2012 14:10
Last Modified: 07 Dec 2012 12:06
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-31757
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Sass, Prof. Dr. Ingo and Ferreiro Mählmann, Prof.Dr. Rafael
Refereed: 16 August 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3175
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