Energy system and long-term thermal storage at Nyhavna in Trondheim

Abstract

Denne masteroppgaven evaluerer mulighetene og utfordringene ved å designe og drifte et langsiktig sesonglager for varme i Nyhavna, Trondheim. Hovedmålet er å utvikle en modell for sesonglagersystemet som benytter kommunal avfallsforbrenning til å lade borehull for sesonglagring. Det foreslåtte systemet kobles til byens fjernvarmenett, ved å bruke borehull til termisk lagring. Ved utladning kobles systemet til det lokale lavtemperatur fjernvarmenettet i Nyhavna.

Oppgaven innebærer en detaljert simulering av sesonglagersystemet for å generere realistiske resultater spesifikke for Nyhavna-området. Simuleringen ble konstruert i Python ved bruk av verktøy-kassen \textit{pygfunction}, som er basert på endelig linjekilde løsningen av g-funksjonen for borehull. Ulike design- og driftsparametere ble analysert for å optimalisere systemet uten å gå på akkord med væsketemperaturen som hentes fra borefeltet. Analysen tok hensyn til fysiske begrensninger og spesifikke forhold på borefeltets beliggenhet.

Simuleringen viser at borehullsveggtemperaturen, utløpstemperaturen av borehullene, og den årlige lagrede og uthentet varme stabiliseres etter fem til åtte år. Oppgavens funn viser påvirkningen av ulike design- og driftsparametere. I de fleste tilfeller fører en økning i borehullsfeltets effektivitet til et kompromiss i borehullsfeltets utløpstemperatur, og motsatt. Borefeltets størrelse viser størst variasjon i borefeltets effektivitet, mens formen, bruken av enkelt- eller dobbelt U-rør, og væskestrømningsladningsraten viser minst variasjon. Parameterne som ser ut til å ha størst innvirkning på væskens utløpstemperatur er størrelsen og væskens inntakstemperatur. Når man modifiserer borefeltet, blir det tydelig at parameterne kan komme i konflikt med hverandre.

Borefeltet utgjør en betydelig utfordring på grunn av den store økningen i utvunnet varme i løpet av de første fem til åtte årene, noe som fører til problemer med dimensjonering av utstyr ved grensesnittene. Et borefelt på stedet kan dekke deler av varmebehovet i distriktet. Simuleringen er modellert slik at sesonglagringssystemet dekker 10\% av varmebehovet, og resultatene viser at borefeltet kan dekke 72\% av dette.

Denne oppgaven gir innsikt i design og drift av sesonglagringssystemet, og viser dets potensial til å forbedre effektiviteten i fjernvarmenett. Funnene bidrar til feltet for fornybar energilagring og gir praktiske implikasjoner for urbane energisystemer. Simuleringsmodellene gjør antakelser, og resultatene bør gjennomgås nøye. De understreker imidlertid potensialet og trendene for systemløsninger for sesonglargring i Nyhavna-distriktet.

This thesis evaluates the possibilities and challenges of designing and operating a long-term Bore- hole Thermal Energy Storage (BTES) system in Nyhavna, Trondheim. The primary objective is to develop a model for a BTES system that utilises municipal waste combustion to charge bore- holes for seasonal storage. The proposed system integrates with the city’s district heating (DH) network, using boreholes for thermal storage and connecting to a local low-temperature district heating network.

The study involves a detailed simulation of the BTES system to generate realistic results specific to the Nyhavna site. The simulation was constructed in Python using the pygfunction toolbox, which is based on the finite line source (FLS) solution’s g-function to evaluate the bore field. Various design and operational parameters were analysed to optimise the system without compromising the fluid temperature extracted from the bore field. The analysis considered physical limitations and specific conditions of the bore field location.

The simulations show that the borehole wall, fluid outlet temperature, and annual stored and extracted heat stabilise within the first five to eight years. The thesis findings demonstrate the influence of various design and operation parameters. In most cases, an increase in bore field efficiency compromises the borehole fluid outlet temperature and vice versa. The bore field size exhibits the most variability in bore field efficiency, while the shape, the use of single or double U-tube pipes, and the fluid flow charging rate show the least variability. The parameters that seem to have the greatest impact on the fluid outlet temperature are the size and the fluid inlet temperature. When modifying the bore field, it becomes apparent that the parameters may conflict with each other.

The bore field poses a significant challenge due to the substantial increase in extracted heat during the initial five to eight years, leading to issues in equipment sizing at the interfaces. A bore field at the location can cover parts of the heat demand in the district. The simulation is modelled so the BTES system covers 10% of the heat demand, and the results show that the bore field can cover 72% of this.

This research provides insights into the design and operation of BTES systems, demonstrating their potential to enhance the efficiency of DH networks. The findings contribute to the field of renewable energy storage and offer practical implications for urban energy systems. The simulation models make assumptions, and the results should be carefully reviewed. However, they still underline the potential and trends of BTES system solutions in the Nyhavna district.