Numerical modelling of a HT-BTES system in Nyhavna, Trondheim

Abstract

Geotermiske energibrønner og sesongbasert energilagring har økt i popularitet i Norge og resten av verden de siste årene i tråd med økende energipriser og lavere kraftoverskudd. Et sesongbasert varmelager er i grunn en videreutvikling av en energibrønn, og er designet for å ta vare på tidligere uutnyttet overskuddsenergi som produseres på sommeren ved å lagre den i berggrunnen. Det er imidlertid forsket lite på hvilken effekt temperaturendringer har på jord i Norge, og det er derfor nødvendig å undersøke hvordan jorden reagerer når den utsettes for økte temperaturer. Denne masteroppgaven er skrevet i tilknytning til pilotprosjektet "Nyhavna i Trondheim som nullutslippsområde". Prosjektet undersøker muligheten til å lagre varme fra fjernvarmenettet i berggrunnen på Nyhavna. Elementmetodeprogrammet PLAXIS ble benyttet til å fremstille grafer som tid vs. temperatur. Løsmasseprofilene er basert på en geoteknisk datarapport fra Multiconsult. Tidligere studier har vist variabel oppførsel når leire utsettes for temperaturendringer, noe som gjør det vanskelig å utvikle generelle modeller for slike scenarier. Derfor er lokale data avgjørende for å effektivt kunne forutsi jordens respons. Studier hvor det er utviklet jordmodeller som simulerer respons som ikke dekkes av eksisterende modeller i PLAXIS kan være nyttig å implementere. Statisk parametere har blitt identifisert som en betydelig feilkilde i denne modelleringen. Laboratoriearbeid anbefales også for å finne representative parametere for norske jordarter, spesielt relatert til stivhet og termiske egenskaper. Resultater fra den aksisymmetriske modellen viste at lagring av varme i grunnen kan føre til jordheving ved jordoverflaten, med omfanget avhengig av faktorer som termiske egenskaper, geometri og den foreskrevne temperaturgrensebetingelsen. Resultatene fra modelleringen er i motsetning til resultatene fra tidligere studier, som viser sammentrekning når de utsettes for økt temperatur. Usikkerheter knyttet til termiske parametere og forenklinger i jordforholdene gjør modellen ikke-spesifikk. Et isolert borehull kan både redusere deformasjon og gi lavere temperaturer i jordlaget, hvor dybden i berggrunnen påvirker omfanget av deformasjonene.

Geothermal energy wells and seasonal energy storage have increased in popularity in Nor- way and the rest of the world in recent years due to rising energy prices and reduced electricity surplus. A seasonal thermal storage system is essentially an improved form of an energy well, designed to utilize previously unused excess heat produced in the summer by storing it in the bedrock. However, there has been little research on the effect of tem- perature changes on soil in Norway, making it necessary to investigate how the soil reacts when exposed to increased temperatures. This master thesis is written in association with the multidisciplinary pilot project ”Nyhavna i Trondheim som nullutslippsomr ̊ade”. The project is studying the feasibility of storing heat from the district heating system in Trondheim in a borehole thermal energy storage system located in Nyhavna. The finite element software PLAXIS was used to generate time vs. settlement curves and time vs. temperature curves based on soil profiles from the project site. Previous studies have shown variable behaviour when clay is exposed to temperature changes, making it difficult to develop general models for such scenarios. Therefore, local data is crucial for effectively predicting soil response. Studies that have developed specific soil models for simulation can be useful to implement in PLAXIS to account for aspects not currently covered by the program. Static parameters have been identified as a sig- nificant source of error in this modelling. Laboratory work is also recommended to find representative parameters for Norwegian soils, particularly related to stiffness and thermal properties. Results from the axisymmetric model showed that storing heat in the ground can lead to ground heave at the soil surface, with the extent depending on factors such as thermal properties, geometry, and the temperature boundary condition prescribed. The results from the modelling is contradicting the results from previous studies, showing contraction when subjected to increased temperature. Uncertainties related to thermal parameters and simplifications in the soil conditions make the model non-specific. An insulated casing can both reduce deformation and give lower temperatures in the soil layer, with the depth into the bedrock affecting the magnitude of the deformations.