Vis enkel innførsel

dc.contributor.advisorRamstad, Randi Kalskin
dc.contributor.advisorAalberg, Arne
dc.contributor.authorSnoen, Kjersti Buraas
dc.date.accessioned2021-09-24T18:07:10Z
dc.date.available2021-09-24T18:07:10Z
dc.date.issued2021
dc.identifierno.ntnu:inspera:85046198:31704985
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/11250/2781635
dc.description.abstractDen norske regjeringen har besluttet at det kulldrevne energiverket i Longyearbyen, Svalbard skal stenges ned og erstattes av en sikrere og mer klimavennlig energiløsning. En potensiell løsning basert på fornybare energikilder krever at det finnes teknologi for lagring av overflødig energi som kan hentes ut i perioder med større behov. I et borehullsbasert termisk energilager lagres termisk energi i undergrunnen ved hjelp av et oppsett av borehull. Et effektiv design av et borehulls basert termisk energilager er i stor grad avhengig god kunnskap om materialegenskapene i lagrinsvolumet. Termisk Respons Test (TRT) er en veletablert feltundersøkelses-metode for bestemmelse av den stedspesifikke undergrunnens termiske egenskaper. Et fluid med en kjent tilført varmeefffekt sirkuleres i et fullskala borehull, og temperatur-responsen måles over tid. Temperaturmålinger i dypet basert på distribuerte temperaturmålinger (DTS) med optiske fiberkabler gir tilleggsinformasjon om den distribuerte responsen i dypet som følge av geologiske heterogeniteter. Feltundersøkelser er blitt gjennomført for å evaluere om et potensielt storskala høy-temperatur borehullsbasert termisk energilager i Longyearbyen, Svalbard er mulig. Feltundersøkelsene inkluderer boring av en fullstendig energibrønn og gjennomføring av en termisk respons test med distribuerte temperaturmålinger. I tillegg er prøver av borekaks blitt samlet inn under boring og analysert for mineralsammensetning, og en enkel 2D numerisk modell har blitt utviklet som sammenligningsgrunnlag for resultatene fra feltundersøkelsene. Prosjektet er iverksatt av Longyearbyen Lokalstyre som har mottatt prosjektstøtte fra Svalbards Miljøvernfond. Prosjektet er utført som et samarbeid mellom Longyearbyen Lokalstyre, Asplan Viak, Universitetssenteret på Svalbard (UNIS) og Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU). En 198m dyp energibrønn ble suksessfullt boret. Den påtrufne geologien samsvarer med det som er skrevet i litteraturen for området. Litologiene består av skifer, siltstein og sandstein fra Carolinefjellet Formasjonen og den underliggende Helvetiafjellet Formasjonen. Energibrønnen ble naturlig fylt med grunnvann, trolig fra en artesisk akvifer i Helvetiafjellet Formasjonen. Under testing lå grunnvannsnivået på omlag 40m dyp. Gjennomsnittsverdien av de estimerte verdiene for konduktivitet av de distribuerte seksjonene i dypet samsvarer med den utregnede verdien på 3.4W/(m,K) fra den konvensjonelle TRT. De distribuerte temperaturmålingene viser at den største varmeoverføringen skjer i de øvre delene av den vannfylte delen av borehullet i kollektorkanalen med nedadgående strømning. Varmeoverføringen i den nedre delen av borehullet kan korreleres til fluktuasjoner i kvartsinnholdet gjennom stratigrafien. Uforstyrra temperatur i grunnen gir grunnlag for å estimat av borehullsmotstanden som er estimert til 0.06-0.1(m,K)/W. Den numeriske modellen gir en ytre grense for den forventende omkretsen av omsluttende berggrunn som påvirkes av testen. Resultatene av forundersøkelsene er lovende for et potensielt storskala høy-temperatur borehullsbasert termisk energilager i Longyearbyen. Feltundersøkelsene kan forbedres ved å inkludere manuelle målinger av grunnvannsnivået, samle vannprøver under boring som kan sammenlignes med kjente grunnvannsakviferer i området, tiden for målinger i perioden etter test-slutt anbefales at utvides samt at en seksjon av fiberen kalibreres med en kjent temperatur og tids-sekvens ute i felt.
dc.description.abstractThe Norwegian government has decided that today's coal-based energy solution in Longyearbyen, Svalbard is to be changed to a safer and more climate friendly energy solution. A potential solution based on renewable energy sources requires a technology for storing access energy to be retrieved upon need. Borehole Thermal Energy Storage (BTES) uses the underground as a storage medium for thermal energy through an arrangement of boreholes. Knowledge of the material properties is crucial for an efficient BTES design. Thermal Response Test (TRT) is an established field investigation method for determining the ground thermal properties on-site. Fluid with a known added heating effect is circulated in a full scale borehole, and the thermal response over time is measured. Depth-resolved temperature measurements based on Distributed Temperature Sensing (DTS) technique with optical fiber cables give additional valuable information about the distributed response caused by geological heterogeneity. Field investigations have been performed to evaluate the possibility of a large scale High Temperature Borehole Thermal Energy Storage (HT-BTES) in Longyearbyen, Svalbard. The field investigation includes test drilling of an energy well and Distributed Thermal Response Test with fiber optic temperature measurements analysed with the infinite line source model. Additionally, drill cuttings samples have been analysed for mineral identification by X-Ray Diffraction, and a 2D numerical model has been made to simulate the thermal response test as a basis for comparison of different methods. The project was initiated by the local government, Longyearbyen Lokalstyre, which has received funding from Svalbards Miljøvernfond. The work was done in collaboration with Longyearbyen Lokalstyre, Asplan Viak, the University Centre in Svalbard (UNIS) and the Norwegian University of Science and Technology (NTNU). A 198m deep energy well was successfully drilled. The geology encountered is in line with described literature with lithologies of shale, siltstone, and sandstone of the Carolinefjellet Formation and the underlying Helvetiafjellet Formation. The groundwater level was assumed to be at 40m depth, and filled from below by an overpressured aquifer in the Helvetiafjellet Formation. The mean value of the estimated distributed ground thermal conductivity agrees with the calculated value of 3.4W/(m,K) from the conventional TRT. The distributed estimate shows that the most significant heat transfer occurs down flow in the upper part of the water-filled part of the borehole. The heat transfer in the lower part of the borehole is viable with a correlation between the thermal conductivity of depth sections and fluctuations in the quartz content through the stratigraphy. A borehole thermal resistance of 0.06-0.1(m,K)/W was estimated depending on the value of undisturbed ground temperature used. The numerical model gives an outer boundary of a 1.75m radius for the expected extent of the surrounding ground being affected by the thermal response test. The pre-investigation results are promising for a potential HT-BTES system in Longyearbyen, and it is recommended to proceed with further investigations. Suggested improvements of the performed field investigations include manual measurements of the groundwater level, taking water samples during drilling to compare with known groundwater aquifers in the area, extend the time period for depth-resolved temperature measurements during the recovery period and calibrate a section of the optical fiber with a known temperature and time record in the field.
dc.languageeng
dc.publisherNTNU
dc.titlePre-investigations for High Temperature Borehole Thermal Energy Storage: A part of the future energy solution in Longyearbyen, Svalbard?
dc.typeMaster thesis


Tilhørende fil(er)

Thumbnail
Thumbnail

Denne innførselen finnes i følgende samling(er)

Vis enkel innførsel