An Analytical Study on the Performance of Borehole Thermal Energy Storage (BTES) Systems in the Canadian Subarctic Region

ABSTRACT: Thermal energy storage (TES) systems have significant potential to support energy transitions, particularly in remote and off-grid communities. Borehole Thermal Energy Storage (BTES) systems, which store and recover thermal energy from the ground, are increasingly recognized as a viable solution for seasonal energy storage. In the Canadian subarctic, where harsh environmental conditions and isolated communities present distinct challenges, BTES systems offer a valuable approach to improving energy resilience. However, the effectiveness and long-term sustainability of these systems relies on a thorough understanding of the complex thermal, hydro, and mechanical processes occurring in the subsurface, especially in areas with low permeability and a high presence of clay-bound water. This study reviews the thermal-hydro-mechanical (THM) interactions within soil formations resulting from BTES operations, with a particular focus on the dehydration of bound water in clay soils. The findings aim to enhance the understanding and management of subsurface thermal disturbances and contribute to optimizing BTES system performance under varying temperatures and complex soil conditions. Keywords: BTES, Thermal-hydro-mechanical interactions, Clay-bound water, Finite Element Method (FEM), Pore pressure, Ground deformation

RÉSUMÉ: Les systèmes de stockage d’énergie thermique (SET) présentent un potentiel considérable pour soutenir les transitions énergétiques, en particulier dans les communautés éloignées et hors réseau. Les systèmes de stockage d’énergie thermique par sondes géothermiques verticales (BTES), qui permettent de stocker et de récupérer l’énergie thermique du sol, sont de plus en plus reconnus comme une solution viable pour le stockage saisonnier de l’énergie. Dans le subarctique canadien, où les conditions environnementales rigoureuses et l’isolement des communautés posent des défis particuliers, les systèmes BTES offrent une approche précieuse pour améliorer la résilience énergétique. Toutefois, l’efficacité et la durabilité à long terme de ces systèmes reposent sur une compréhension approfondie des processus thermiques, hydrauliques et mécaniques complexes qui se produisent dans le sous-sol, en particulier dans les zones à faible perméabilité et à forte présence d’eau liée aux argiles. Cette étude examine les interactions thermiques-hydrauliques-mécaniques (THM) au sein des formations de sol résultant des opérations de BTES, en mettant l’accent sur la déshydratation de l’eau liée dans les sols argileux. Les résultats visent à améliorer la compréhension et la gestion des perturbations thermiques souterraines et à contribuer à l’optimisation des performances des systèmes BTES dans des conditions de température variées et des sols complexes.