Exploration, Development and Characterisation of a Medium-Deep Borehole Thermal Energy Storage

This work presents the assessment of a medium-deep borehole thermal energy storage system (MD-BTES) constructed in a complex crystalline environment in Darmstadt, Germany. In addition to thermal performance analysis, the work also summarizes key findings from the drilling and exploration phases of the demonstrator. The assessment integrates geological field studies, geophysical logging and surveys, laboratory analyses, thermal experiments, and numerical modelling to develop a more comprehensive understanding of both the storage system and its complex geological setting. This study was conducted within the Seasonal Crystalline Borehole Thermal Energy Storage (SKEWS) demonstrator project with meth-odological links to the Horizon Europe project PUSH-IT. Parts of the methodology were adapted for application in the GeoLaB project, and the geological datasets archived were integrated into the AMPEDEK 2 petrothermal property reference database. Initial geological investigations revealed that the MD-BTES site is located near a geological unconformity and potentially within a fault zone. A multidisciplinary exploration strategy was applied to further characterize subsurface conditions. Seismic and gravimetric surveys, electrical resistivity tomography (ERT), and petrophysical analysis of outcrop analogues were conducted. The investigations revealed basaltic and granitic lithologies, separated by an east-dipping fault structure. Electrical resistivity tomography results indicated low resistivities linked to weathering and high groundwater levels. Petrophysical measurements confirmed less favourable storage conditions in the Permian Basalts due to high porosity and low thermal conductivity. At the same time, the underlying Granite showed strong potential with lower porosities and higher conductivities. Geophysical well logs and drill cuttings further improved the geological model, identifying altered and fractured zones through gamma ray, sonic, resistivity, and magnetic susceptibility profiles. Distributed thermal response testing (dGRT) confirmed thermal conductivity variability along depth (2.0 – 2.8 W m⁻¹K⁻¹), correlating with changes in lithology and degree of hydrothermal alteration. Despite insulation, heat losses were observed due to ther-mal short-circuiting in the borehole, especially in the upper sections. Design improvements, such as increasing flow rates or optimizing pipe arrangements, are suggested to mitigate these losses. Thermal testing revealed higher borehole thermal resistance in the upper section (0 – 180 m), where low-conductivity grout and lithology variations coincide, complicating interpretation. Nonetheless, the combination of dGRT and conventional GRT yielded high-quality thermal characterisation data, which were used to calibrate a detailed COMSOL model. This model, incorporating fibre optic temperature profiles, enables close agreement between measured and simulated temperatures and serves as a powerful tool for future design iterations. Based on the COMSOL model, it could be inferred that the impact of the thermal short circuit on storage operation for a one BHE system is rather low on a low single-digit level. In conclusion, this study demonstrates the critical role of integrating geological, geophysical, and modelling approaches in planning and optimizing MD-BTES systems. The results provide a strong foundation for technical refinement, cost reduction, and strategic deployment of medium-deep geothermal heat storage within sustainable district heating infrastructure.

Diese Arbeit befasst sich mit der Erkundung und Charakterisierung eines experimentellen mitteltiefen Erdwärmesondenspeichers, der im kristallinen Grundgebirge in Darmstadt errichtet wurde. Neben der Analyse der thermischen Leistungsfähigkeit werden zentrale Erkenntnisse aus der Bohr- und Erkundungsphase des Demonstrators zusammengefasst. Die Bewertung basiert auf einem integrativen Ansatz, der geologische Geländearbeiten, geophysikalische Bohrlochmessungen und Messkampagnen, Laboranalysen, thermische Tests sowie numerische Modellierungen kombiniert, um ein umfassenderes Verständnis des Speichersystems und seiner geologischen Rahmenbedingungen zu erlangen. Diese Studie entstand im Rahmen des Demonstratorprojekts SKEWS – Seasonal Crystalline Borehole Thermal Energy Storage und ist methodisch mit dem Horizon-Europe-Projekt PUSH-IT verknüpft. Teile der Methodik wurden für das GeoLaB-Projekt adaptiert, die erhobenen geologischen Datensätze wurden in die AMPEDEK-2-Referenzdatenbank für petrothermale Eigenschaften integriert. Erste geologische Untersuchungen zeigten, dass sich das MD-BTES nahe einer geologischen Diskordanz und vermutlich innerhalb einer Störungszone befindet. Zur genaueren Charakterisierung der Untergrundverhältnisse wurde daher ein multidisziplinärer Explorationsansatz angewandt. Dabei kamen seismische und gravimetrische Messungen, elektrische Widerstandstomographie sowie petrophysikalische Analysen von Aufschlussproben zum Einsatz. Die Untersuchungen ergaben eine Abfolge basaltischer und granitischer Lithologien, getrennt durch einer Störungsstruktur. Die Daten der elektrischen Widerstandstomographie wiesen auf geringe elektrische Widerstände hin, was auf Verwitterung und einen hohen Grundwasserstand schließen lässt. Petrophysikalische Messungen bestätigten ungünstigere Speichereigenschaften in den permischen Basalten (hohe Porosität, geringe Wärmeleitfähigkeit), während der unterlagernde Granit deutlich bessere Speicherbedingungen aufweist (niedrige Porosität, hohe Wärmeleitfähigkeit). Geophysikalische Bohrlochmessungen und Bohrkleinproben verbesserten das geologische Modell weiter, wobei veränderte und geklüftete Zonen durch Gamma-, Sonic-, Widerstands- und Suszeptibitätsmessungen identifiziert wurden. Die Geothermal Response Tests zeigten eine Tiefenvariation der Wärmeleitfähigkeit zwischen 2.0 und 2.8 W m⁻¹ K⁻¹, was mit lithologischen Veränderungen und hydrothermaler Alteration korreliert wird. Trotz eingesetzter Dämmmaßnahmen traten lokal Wärmeverluste durch thermische Kurzschlüsse zwischen den Rohrleitungen im Inneren der Erdwärmesonde auf. Optimierungsmöglichkeiten liegen beispielsweise in erhöhten Volumenströmen oder veränderten Rohrgeometrien. Thermische Tests ergaben einen erhöhten Bohrloch-Wärmeübergangswiderstand im oberen Abschnitt (0–180 m), wo niedrig wärmeleitfähige Bohrlochhinterfüllung auf einen Lithologiewechsel trifft, was die Interpretation erschwert. Dennoch lieferten thermischen Tests hochwertige thermische Charakterisierungsdaten, mit denen ein detailliertes COMSOL-Modell kalibriert werden konnte. Dieses Modell, das auch faseroptische Temperaturprofile integriert, zeigt eine enge Übereinstimmung zwischen gemessenen und simulierten Temperaturen und bildet eine robuste Grundlage für künftige Designoptimierungen. Basierend auf dem COMSOL-Modell konnte abgeleitet werden, dass der Einfluss des thermischen Kurzschlusses auf den Speicherbetrieb bei einem Einzelsondensystem gering ist und sich auf einen niedrigen einstelligen Prozentbereich beschränkt. Abschließend unterstreicht diese Studie die entscheidende Rolle der Integration geologischer, geophysikalischer und numerischer Ansätze bei der Planung und Optimierung von MD-BTES-Systemen. Die gewonnenen Erkenntnisse bieten eine belastbare Grundlage für technische Weiterentwicklungen, Kostensenkungen und die strategische Umsetzung von mitteltiefen geothermischen Speichersystemen als Baustein nachhaltiger Nahwärmeinfrastrukturen.