Investigation of high Temperature Energy Storage in NOrwegian Quick clay

Abstract

175 land, inkludert Norge, har forpliktet seg til å begrense det globale utslippet av klimagasser til under 2 grader gjennom Parisavtalen. Bærekraftig utvikling er avgjørende for å oppnå dette målet. Geotermiske konstruksjoner, som for eksempel termisk energilagring, sørger for miljøvennlige løsninger for oppvarming og kjøling av bygninger, industribygg, idrettsanlegg og lignende. I Norge kan overskuddsvarmen som produseres om sommeren, utnyttes om vinteren. Det er viktig å forstå hvordan temperaturen påvirker sensitive leirer, som for eksempel kvikkleire, for å kunne bygge i nærheten av nullutslippsbygninger eller -nabolag. Forskningen gjort i dette studiet utforsker sammenhengen mellom temperatur og leire, og på denne måten kan bidra til utvikling innen geotermisk energilagring for en mer bærekraftig fremtid.

Ved hjelp av en modifisert ødometercelle med et oppvarmet kveilet kobberrør blir leiren tilført varme opptil 70℃. Resultatene gitt i studien indikerer variasjon i prekonsolideringstrykket, poretrykket, den endimensjonale modulusen og konsolideringskoeffisienten mellom leire varmet opp til 20℃ og leire varmet opp til 70℃.

Studien undersøker hvordan effektene av termisk og mekanisk belastning påvirker oppførselen til leire. Resultatene fra oppvarmingsfasen indikerer at for de fleste leiretyper øker deformasjonen mens den effektive vertikale spenningen reduseres, bortsett fra ett forsøk hvor spenningen øker noe. Poretrykket varierer under oppvarming, noe som indikerer at tiltrekkende- og/eller frastøtende krefter er involvert i prosessen.

Studien sammenligner også innflytelsen av temperatur på naturlig leire fra Canada og Sverige med norsk leire. Det observeres at prekonsolideringstrykket etter termisk og mekanisk belastning er høyere for norsk leire sammenlignet med kanadisk og svensk leire. Flytegrensen har ikke en konsekvent sammenheng med prekonsolideringsegenskaper. Poretrykket og ødometermodulusen viser varierende respons på temperatur, noe som indikerer endringer i leirens oppførsel og egenskaper. Konsolideringskoeffisienten forblir stabil ved romtemperatur, men varierer ved 70℃, noe som tyder på at konsolideringsoppførselen påvirkes av høy temperatur. Reduksjonen av sterkt bundet vann med økende temperatur kan føre til negativt poretrykk, og leirens plastisitet påvirker endringer i porøsiteten på grunn av temperaturendring.

The Paris Agreement binds 175 countries, including Norway, in limiting global warming below 2 degrees. To achieve this, sustainable development is crucial. Geothermal structures like thermal energy storage offer eco-friendly solutions for heating and cooling buildings. The waste heat produced during summer in Norway can be utilized during winter. Understanding how temperature affects sensitive soils, such as quick clay, is vital for safe construction near zero-emission buildings. Ground Source Heat Pumps (GSHP) are widely used, but their potential in soft clays remains untapped. Our research explores the temperature-clay relationship, revolutionizing geothermal energy storage for a greener future.

Using a modified oedometer cell with a copper coil the study investigates the effects of temperature on soil behaviour. Oedometer tests were conducted on clay specimens at 20℃ and 70℃. Calibration tests ensured accurate temperature and loading measurements. The results indicate variations in preconsolidation pressure, pore pressure, strengths and coefficient of consolidation between normal and modified oedometer tests. The thesis discusses the experimental setup, research design, and results from index testing.

The study examines the effects of thermal and mechanical loading on clay behaviour. The heating phase reveals increased strains and decreased effective stress in most clays, except for one test showing a slight stress increase. Fluctuating pore pressures during heating suggest the involvement of physico-chemical forces. Furthermore, the study compares the influence of temperature on natural clays from Canada, Sweden and Norway. Norwegian clay exhibits higher preconsolidation pressure after thermal and mechanical loading compared to Canadian and Swedish clay. The correlation between liquid limit and preconsolidation pressure is inconsistent. Pore pressures and oedometer modulus exhibit varying responses to temperature, indicating change in soil behaviour and properties. The coefficient of consolidation remains stable at room temperature but fluctuates at 70℃, highlighting the influence of elevated temperature on consolidation behaviour.

The decrease in strongly bound water with increasing temperature can result in negative pore pressure, and the plasticity of clay affects void ratio changes in response to temperature. While preconsolidation pressure generally decreases with temperature, exceptions exist. The study emphasizes the need for further experiments to explore additional factors such as strain rate. Overall, these findings contribute to a better understanding of the complex behaviour of clays under thermal and mechanical loading conditions.