Large scale heat storage for district heating

Abstract

Denne oppgaven har som hensikt å øke kunnskap om HT-BTES (høytemperaturs borehullsbasert energilager) potensiale, utføre en termisk analyse av høytemperaturs borehull og anvende dette i en HT-BTES caseanalyse. Caseanalysen evaluerte tre forskjellige HT-BTES systemer samt én konseptuell styringsstrategi (nightboosting). HT-BTES er et utmerket sesonglagringssystem for industriell spillvarme, som både øker energieffektiviteten til varmeproduksjonen, i tillegg til at det bidrar til å møte fremtidens varmebehov.

Utformingen av de tre HT-BTES-casene er basert på kunnskap tilegnet fra eksisterende prosjekter, samt en mulighetsstudie rettet mot fjernvarmesektoren i Norge. Dette resulterte i en lagringskapasitet på henholdsvis 7,5 GWh, 60 GWh og 125 GWh for de tre casene. Lastesyklusene for hvert design er basert på månedlige data som ble innhentet i det aktuelle mulighetsstudiet.

Resultater fra den termiske analysen viste at nightboosting gav en betydelig økning i temperaturen til varmebærervæsken. MATLAB-modellen som ble brukt i den termiske analysen inkluderte den termiske kapasiteten til borehullet, og ble derfor brukt til å kalibrere en pre-pipe komponent. Denne komponenten ble anvendt i TRNSYS-modellen for å inkludere den termiske kapasiteten til borehullene og forbedre modelleringen av korte transienter. Mest samfallende resultater mellom MATLAB og TRNSYS ble oppnådd ved å ta hensyn til 50% av den totale termiske kapasiteten til borehullene.

Caseanalysen viste at en økning i lagringskapasitet påvirket den maksimale gjennomsnittlige lagertemperaturen. Den maksimale gjennomsnittlige lagertemperaturen var henholdsvis 85℃, 82.5℃ og 75℃ for case 1,2 og 3. Ved nightboosting, med en varmerate på 60 W/m, ble differansen mellom den årlige maksimale og minimale gjennomsnittstemperaturen i lagrene redusert med 43.4%, 28.3% og 24.9% for case 1,2 og 3. En parameteranalyse av case 2 evaluerte fire viktige HT-BTES parametere. Parameteranalysen påpekte at overflateisolasjon og varmeledningsevnen til berggrunnen hadde størst påvirkning på både den gjennomsnittlige lagertemperaturen og temperaturen til varmebæreren.

Det er funnet et stort potensial for HT-BTES innen den norske fjernvarmesektoren. Etablerte prosjekter viser betydningen av designet, men også styringen av lageret for å oppnå et velfungerende system. En mer dynamisk styring av HT-BTES systemer har vist å kunne øke temperaturer betraktelig. I simuleringsmodellene presentert i oppgaven pekes det på antagelser, og det er derfor viktig med et kritisk blikk på resultatene. Resultatene vil likevel gi et godt bilde av potensialet og trendene vi finner blant HT-BTES systemer.

This master thesis aims to gather knowledge on the potential of HT-BTES systems, the thermal process in HT-boreholes and apply this knowledge in a HT-BTES case analysis. The case analysis evaluated three different HT-BTES designs and a conceptual operational strategy (nightboosting). A HT-BTES system is an excellent seasonal storage system for industrial waste heat that both increases the energy efficiency of heat production and helps meet future energy demand.

The design of the three HT-BTES cases is based on information gathered from existing projects and a feasibility study targeting the waste-to-energy district heating sector in Norway. This resulted in the three cases having a storage capacity of 7.5 GWh, 60 GWh and 125 GWh, respectively. The load cycles for each HT-BTES case are based on monthly data acquired in the feasibility study.

Results in the thermal analysis showed that nightboosting caused a significant increase in the temperature of the heat carrier fluid. The MATLAB model used in the thermal analysis accounted for the borehole thermal capacity and was therefore used to calibrate a pre-pipe component in TRNSYS. The pre-pipe component accounts for the borehole thermal capacity and consequently improves short-time transient modeling in TRNSYS. Most accurate results were achieved by accounting for 50% of the total borehole thermal capacity in the TRNSYS-model.

The case analysis showed that increasing storage capacity affected the maximum average storage temperature. The maximum average temperatures were 85℃, 82.5℃ and 75℃ for case 1,2 and 3, respectively. With nightboosting operating with a charging rate of 60 W/m the temperature difference between the maximum and minimum average storage temperatures was decreased by 43.4%, 28.3%, and 24.9% for cases 1,2 and 3. A sensitivity analysis of case 2 evaluated four HT-BTES parameters. The sensitivity analysis pointed out top surface insulation and ground thermal conductivity to have the most significant impact on both the average storage temperature and heat carrier temperature.

It is found that there is a potential for HT-BTES systems in the waste-to-energy district heating sector in Norway. Previous projects show that design and operation are key factors in achieving well-performing systems. A more dynamic operation has shown to be able to increase the annual average storage temperature significantly. Assumptions have been made in the simulation models, and results should be reviewed with caution. The results still underline the potential and trends of HT-BTES system solutions.