Høytemperatur termisk energilagring i borhull ved Nyhavna, Trondheim - Berggrunnens mekaniske egenskaper ved syklisk oppvarming, termisk ledningsevne og visuell 3D-modell

Abstract

Denne masteroppgaven har vurdert etableringen av et høytemperatur sesong- varmelager på Nyhavna i Trondheim fra flere perspektiver. Ved vurderingen av områdets egnethet har syv testbrønner blitt boret. I disse testbrønnene har grunnens effektive varmeledningsevne og termiske borehullsmotstand blitt funnet ved å gjennomføre termiske responstester (TRT). Disse parameterne vil avgjøre hvor egnet berggrunnen er til å overføre og holde på tilført varme, essensielle faktorer ved et sesongvarmelager. TRT-testene viste en gjennomsnittlig effektiv varmeledningsevne, λeffektiv, på 3.86 W/m*K, da sett vekk ifra et misvisende resultat fra testbrønn 3 på 6.20 W/m*K grunnet et vannførende lag. Verdiene tyder på at berggrunnen er egnet til sesongvarmelagring.

Høy varmeledningsevne fører til at avstanden mellom energibrønnene kan være større, men varmetapet i kantene av lageret vil dessverre øke. Alle brønnene hadde en lav termisk borehullsmotstand, noe som indikerer god varmeoverføring mellom kollektorvæsken og borehullet. Mulige vannførende lag i grunnen har også blitt detektert ved de termiske responstestene, ved å se på temperaturutviklingen nedover i borehullet over tid. Kun testbrønn 3 hadde et vannførende lag ved 190 - 203 meters boredyp.

Mulige endringer i de mekaniske egenskapene til bergmassen i et sesongvarmelager som utsettes for temperatursvingninger ble også vurdert ved denne masteren. Kjerneprøver fra en grønnstein ble boret ut for å gjennomføre laboratorietesting der halvparten av kjernene ble utsatt for temperatursvingninger. 43 temperatursykluser ble gjennomført, fra romtemperatur opp til 105 °C. Oppvarmingsperioden var på 7-8 timer og nedkjølingsperioden var på 16-17 timer. For å teste hvilken mulig effekt oppvarmingene hadde hatt på kjernene ble totalt 244 punktlasttester gjennomført. Resultatene viste at den korrigerte punktlaststyrkeindeksen Is for de oppvarmede kjernene var signifikant høyere for både de diametrale- og de aksielle punktlasttestene. Denne signifikante forskjellen tyder på at bergmassen vil oppleve en økning i mekanisk styrke som følge av temperatursvingningene i sesongvarmelageret.

Under boringen av testbrønn 3 ble kaksprøver for hver niende bormeter samlet inn. Fem av de 25 innsamlede kaksprøvene ble det gjennomført XRD-analyse av.

XRD-analysen ga en kvalitativ og kvantitativ analyse av mineralene i prøven. Alle prøvene besto av en betydelig andel kvarts (fra 10.7 % opp til 39.9 %). Basert på vektprosent av de ulike mineralene ble teoretisk varmeledningsevne beregnet til å variere fra 4.20 W/m*K opp til 8.53 W/m*K. Verdiene indikerte egnede forhold for sesongvarmelagring. Her vil TRT-resultatene være viktigst, siden de indikerer de faktiske forholdene ute i felt over et større område.

En 3D-modell i programmet Leapfrog Geo ble produsert som en del av denne masteroppgaven. Modellen representerer grunnforholdene på Nyhavna ved å inkludere de syv testbrønnene og 18 totalsonderboringer. Berg- og løsmassegrensen ble modellert inn basert på dybden til fjell ved testbrønnene og totalsonderboringene. Det vannførende laget i testbrønn 3 ved 200 meters boredyp og XRD-resultatene fra de fem kaksprøvene i testbrønn 3 ble også modellert inn. To tverrsnitt for å vise berg- og løsmassekontakten ble også modellert inn, i tillegg til høydekurver. I tillegg ble en digital terrengmodell, en dybdemodell og et ortofoto lastet opp i modellen. Denne modellen er et forsøk på å gjengi virkeligheten i en forenklet versjon. Modellen vil kunne bidra til å øke forståelsen og samarbeidet mellom ulike fagområder.

This master’s thesis has assessed the establishment of a high-temperature seasonal thermal storage site at Nyhavna, Trondheim from several perspectives. When assessing the suitability of the area, seven test wells have been drilled. In these test wells the effective thermal conductivity of the ground and the thermal borehole resistance have been found by carrying out thermal response tests (TRT). These parameters will determine how suitable the bedrock is to transfer and retain added heat, essential factors of a seasonal heat storage. The TRT tests showed an average effective thermal conductivity, λeffective, of 3.86 W/m*K, not including a misleading result from test well 3 on 6.20 W/m*K due to a water-bearing layer. The values suggest that the bedrock is suitable for seasonal heat storage.

High thermal conductivity means that the distance between the energy wells can be larger, but the heat loss at the edges of the storage will unfortunately increase. All the wells had a low thermal borehole resistance, indicating good heat transfer between the collector fluid and the borehole. Possible water-bearing layers in the ground have also been detected by the thermal response tests, by looking at the temperature development downwards in the borehole over time. Only test well 3 had a water-bearing layer at drilling depth of 190 - 203 meters.

Possible changes in the mechanical properties of the rock mass in a seasonal thermal storage which are exposed to temperature fluctuations were also assessed in this master’s thesis. Core samples from a greenstone were drilled out to carry out laboratory testing where half of the cores were exposed to temperature fluctuations. 43 temperature cycles were carried out, from room temperature up to 105 °C. The warm-up period lasted 7-8 hours and the cooling period lasted 16-17 hours. To test the possible effect the heating had on the cores, a total of 244 point load tests were carried out. The results showed that the corrected point load strength index Is for the heated cores were significantly higher for both the diametral and the axial point load tests. This significant difference suggests that the rock mass will experience an increase in mechanical strength as a result of the temperature fluctuations in the seasonal heat storage.

During the drilling of test well 3, drill cuttings were collected for every ninth borehole meter. Five of the 25 drill cutting samples were subjected to XRD analysis.

The XRD analysis provided a qualitative and quantitative analysis of the minerals in the sample. Every sample consisted of a significant proportion of quartz (from 10.7% up to 39.9%). Based on weight percent of the various minerals, theoretical thermal conductivity was calculated to vary from 4.20 W/m*K up to 8.53 W/m*K. The values indicated suitable conditions for seasonal heat storage. Here, the TRT results will be most important, since they indicate the actual conditions out in the field over a larger area.

A 3D-model in the program Leapfrog Geo was produced as part of the master’s thesis. The model represents the ground conditions at Nyhavna by including the seven test wells in bedrock and the 18 cone penetration test boreholes. The boundary between rock and soil was modelled based on the depth to rock in the test wells and the cone penetration test boreholes. The water-bearing layer in test well 3 at a drilling depth of 200 meters and the XRD results from the five drill cuttings in test well 3 were also modelled. Two long sections to show the rock- and soil boundary were modelled, as well as elevations. In addition, a digital terrain model, a depth model and an orthophoto were uploaded into the model. This model is an attempt to recreate reality in a simplified version. The model may contribute to increasing understanding and cooperation between different specialist areas.