Numerical modelling of the shallow reinjection and tracer transport at Nesjavellir Geothermal System, Iceland : an assessment of heat transfer and fluid flow

Abstract

The Nesjavellir geothermal power plant is the second largest in Iceland, with a district heating capacity of 300 MW and electrical generation of 120 MW. Reinjection of the excess water from the Nesjavellir geothermal plant, derived from separated water from high enthalpy wells and condensed steam, has affected the temperature of the shallow groundwater in the area. These discharges of warm water present a risk to cold water production for the power plant as well as the ecosystem in Lake Thingvellir, which is a UNESCO World Heritage Site. This study investigates the flow path of reinjected liquid and temperature of impacted groundwater for a better management of the discharge and injection in the area. A numerical model of the Nesjavellir warm wastewater re-injection zone was developed using the TOUGH2 non-isothermal flow simulator program and incorporates a 3D geological model developed with Leapfrog Geothermal modeling software. The model was calibrated against underground water temperature data measured between 1998 - 2018 from several monitoring stations located to the north of the power plant. Hydrological parameters such as porosity and permeability were further calibrated against data from a tracer test carried out in the area between 2018-2019. Both models use the Multiple Interactive Continuum (MINC) method, which is a generalization of the dual-porosity method. Compared to the single-porosity model, the MINC method better replicates the fast and strong recovery of tracers found in the monitoring stations. The temperature model showed acceptable results that match the temperature field. While the tracer model closely matches the overall tracer return in some wells, the model underestimates tracer returns in others. However, the model reproduces the overall trend, with similar tracer arrival and concentration peaks for monitoring stations located over main structures acting as permeable channels. Two future scenarios were simulated for a period of 20 years, one in which injection continues and another in which the injection is completely stopped. The numerical model in this study improves understanding of the connections between injection wells and monitoring stations, along with better characterization of the fracture matrix interface and the porosity of postglacial lava flows. Therefore, it can be useful in providing a basis for sustainable management of the geothermal resource and the surrounding environment.

Jarðvarmavirkjunin á Nesjavöllum er sú næststærsta á Íslandi, þar sem hún framleiðir 300 MW af varmaorku og 120 MW rafmagns. Niðurdæling umframvatns frá Nesjavallavirkjun, unnið úr skiljuvatni úr háhitaholum og þéttaðrar gufu, hefur haft áhrif á hitastig þess grunnvatns sem liggur grunnt á svæðinu. Þessi losun á heitu vatni hefur í för með sér áhættu gagnvart framleiðslu kalds vatns fyrir virkjunina sem og vistkerfið á Þingvallavatni, sem er á heimsminjaskrá UNESCO. Því leitar þessi rannsókn eftir því að kanna flæðisleið niðurdælds vökva ásamt hitastigi grunnvatnsins sem varð fyrir áhrifum af umframvatninu, til að betrumbæta stjórnun losunar og niðurdælingar á svæðinu.Tölulegt líkan af niðurdælingarsvæði heits fráveituvatns Nesjavalla var þróað með TOUGH2 forritinu sem er (m.a.) jarðhitaflæðishermir og inniheldur þrívítt jarðfræðilegt líkan þróað af Leapfrog Geothermal líkanahugbúnaðinum. Líkanið var kvarðað með gögnum af hitastigi grunnvatnsins neðanjarðar, mælt á árunum 1998 til 2018 frá nokkrumeftirlitsstöðvum sem staðsettar eru norðan virkjunarinnar. Vatnsfræðilegir þættir eins og holrýmd og gegndræpi voru kvarðaðir frekar fyrir tilstilli gagna úr ferilprófi sem framkvæmt var á svæðinu 2018-2019. Bæði líkönin nota Multiple Interactive Continuum (MINC) aðferðina (eða fjölgagnvirk samfelld aðferð) sem er alhæfing á tví-holrýmdu aðferðinni. Í samanburði við ein-holrýmda líkanið þá gerir MINC ¬aðferðin betri eftirmynd af þeirri öru og öflugu endurheimt ferlanna sem finnast í eftirlitsstöðvunum.Hitalíkanið gaf viðunandi niðurstöður sem jafnast á við hitastigssviðið. Þó að ferillíkanið sé í nánu samræmi við mælingar ferilprófananna í sumum borholum þá vanmetur líkanið mælingarnar í öðrum. Samt sem áður endurspeglar líkanið heildarþróunina, með sambærilegum endurkomutíma ferlanna og hámarksstyrk þeirra fyrir eftirlitsstöðvar staðsettar yfir helstu burðarvirkjum sem virka sem gegndræpar rásir. Tvær mögulegarframtíðarspár voru hermdar fyrir 20 ára tímabil, önnur þar sem niðurdæling heldur áfram og hin þar sem niðurdæling er stöðvuð að fullu. Tölulega líkanið í þessari rannsókn bætir skilning á tengingum milli vinnsluholna og vöktunarstöðva, ásamt betri einkennandi áviðmóti grunnmassinn beinbrot og holrýmd hraunflæðis eftir síðustu ísöld. Af þeim sökum yrði það gagnlegt til að skapa grunn fyrir sjálfbærar stjórnunarlausnir.