Renewable district heating using borehole heat exchange unit with CO2 heat pump

Abstract

Kina og Norge ønsker å være ledende innenfor fornybar energi-teknologi og forsker derfor på måter hvor de kan utvikle bedre og mer miljøvennlige systemer som kan redusere bruken av strøm og fossile brensler for oppvarmingsformål. Geotermisk energi er en fornybar energikilde som enda ikke er benyttet i stor grad. Dype borehulls varmevekslere kan bruke høye temperaturer i berggrunnen som er tilgjengelig for storskala varmesystemer. I kombinasjon med varmepumper kan man oppnå et stabile varmesystem som kan dekke oppvarmings- og varmtvannsbehovet for mange husholdninger eller en hel bydel.

Målet med denne masteroppgaven er å bidra til utviklingen av et fjernvarme-anlegg som benytter varme fra geotermiske borehulls varmevekslere i kombinasjon med $CO_{2}$ varmepumper. Metoden valgt for å jobbe med systemet er simulering. Videre skal ytelsen og gjennomførbarheten av systemet undersøkes for kinesiske og norske klimatiske og geologiske forhold. Her blir både kostnader og andre praktiske hensyn tatt med i en analyse som vurderer hvordan systemet kan realiseres i Kina og Norge. For simuleringen blir dataprogrammet TRNSYS benyttet for å bygge modellen og for å få driftsresultater. Komplikasjoner med implementeringen av de dype borehullene inn i denne simuleringsmodellen fører til en vurdering av om fremgangsmetoden for dette prosjektet var optimal. På grunn av disse komplikasjonene blir flere av forskningsmålene for studiet ikke gjennomført. Det er likevel mitt håp at stegene som har blitt tatt med simuleringsmodellen kan ha verdi for det videre arbeidet med å lage en modell som fungerer optimalt. Likeså at denne oppgaven kan være et bidrag i studiet av gjennomførbarheten av dette energisystemet.

Nøkkelord: Fornybar energi, Geotermisk energi, $CO_{2}$ varmepumpe, TRNSYS, gjennomførbarhetsanalyse.

China and Norway desire to have a leading role within renewable energy technology and therefore researches ways to develop improved and more environmentally friendly systems that can reduce electricity and fossil fuel usage for heating purposes. Geothermal energy is a renewable energy source that has not yet been utilised extensively. Deep borehole heat exchangers can use high temperatures in the bedrock that are available for big scale heating systems. In combination with heat pumps it is achievable to get stable heating systems that can cover the heating and domestic hot water demand for multiple households or districts.

The objective of this Master’s thesis is to contribute to the development of a district heating system that utilises heat from geothermal borehole heat exchange units in combination with CO2 heat pumps. The chosen method to work on this system is by simulation. The performance and feasibility of the system should be investigated for Chinese and Norwegian climatic and geological conditions. Both costs and practical considerations are used for an analysis that evaluates how the system can be realised in China and Norway. For the simulation, TRNSYS will be used to build the model and to analyse operational results. Complications with the implementation of the deep boreholes lead to an evaluation on whether the procedure for this project was optimal. Due to these complications, several of the research goals were not completed. It is still my hope that the steps that have been taken with the simulation model can be of value for the further work with creating a model that functions optimally. And also that this thesis can be a contribution in the study of the feasibility of this energy system.

Key terms: Renewable energy, geothermal energy, CO2 heat pump, TRNSYS, feasibility analysis.