Thermal Performance Analysis of High Temperature Borehole Thermal Energy Storage Design from an Insulation Perspective

Abstract

Thermal energy storage is a growing concept within the sector of energy production. The concept is based on storage of excess thermal energy, for usage during high demand, as a mean of reducing the need for new production. By implementing thermal storage economic and environmental gains can be made as production can be kept more constant over time and less energy is wasted, furthermore the storage system can be used for cooling of thermal processes.
This Master Thesis focuses on analysing the thermal performance of High Temperature Borehole Thermal Energy Storages from a design and insulation perspective. The aim of which was to highlight the parameters critical for finding an optimized design with regards to thermal performance and economic profitability-potential. The analysis was based on the implementation of TRNSYS for modelling and simulations for a reference HT-BTES, from which a general perspective was lifted. The reference project comes in the form of a feasibility study for a planned HT-BTES at Filborna in Sweden. The reference storage is to be made in sedimentary bedrock beneath an existing gypsum deposit, and make up the outset for analysis. The thermal performance, with regards to design and insulation, was analysed by performing a sensitivity study highlighting the relation between thermal performance and design and insulation parameters. Complementing this sensitivity study was an economic analysis. Secondarily environmental effects were evaluated. Limiting the analysis is the lack of modelling possibility for groundwater and highly conductive zones which may cause additional unpredicted thermal losses. Lastly the effects if implementing a heat pump into the system were analysed.
The results from the sensitivity study showed clear indications of greater and minor dependencies between thermal performance and design/insulation parameters. Parameters such as “storage volume” showed tendencies for reduced thermal performance with increasing parameter value, whilst parameters such as “borehole depth” showed improved thermal performance with increasing parameter value.
When considering the insulation aspect of HT-BTES the results were found quite intuitive. Increased insulation thickness, and decreased thermal conductivity of insulation, reduces top losses. It is from this evaluation of dependency between thermal conductivity of insulation and thermal performance that the insulation material perspective could be implemented. The material perspective accounts for effects on thermal properties from temperature and moisture content, highlighting the importance of moisture protection. When implementing an economic perspective into the thermal performance analysis regarding insulation design, the economic value was found in the extracted energy. This value needed to exceed the value the thermal energy had when it was stored, and cover for all cost aspects included in the system design.
The main conclusion drawn from the project was that in order to derive modelling results close to reality, extensive work is needed for determining all parameters of the thermal storage model. The sensitivity study showed that uncertainties in parameters may yield significant impact on the final results.

Popular Abstract (Swedish)

En utvärdering av design- och isoleringsaspekter för högtemperatursvärmelager i berg är en av nycklarna till en mer hållbar framtida energiförsörjning. Men värmelagringsförmåga såväl som ekonomisk potential behöver analyseras.
I en värld kämpande mot klimatförändringar, krävs stora kraftsamlingar för att en framtida hållbarhet skall vara uppnåbar. Centralt för detta ligger minskning av koldioxidutsläppen, inom vilket lagring av överskottsvärme kan vara en möjlig lösning.
Denna mastersuppsats fokuserar på att analysera potentialen i konceptet värmelagring i berg ur ett design- och isoleringsperspektiv, med utnyttjande av simuleringsprogrammet TRNSYS. Analysen visade att vid Filborna kraftvärmeverk föreligger en möjlighet att lagra upp till 45 GWh termisk energi per år, om värmelagring i berg skulle utnyttjas.
Genom att utnyttja bergmassa som ett ”batteri” föreligger stor potential för att lagra överskottsvärme över årstider, för utnyttjande vid behov. Detta medför klimatpositiva effekter genom att slöseri minskar samtidigt som produktionen kan hållas mer konstant över tid, då lagrad energi kan täcka för toppar i efterfrågan. Själva konceptet är möjligt att tillämpa på både mikro- och makroskala, i allt från uppvärmning av enskilda hushåll till utnyttjande i industriprocesser. Därmed kan koldioxidutsläppen minskas som följd av minskat produktionsbehov.
Utformningsmässigt baseras konceptet i att en värmebärare (vätska) tar upp värme från en källa, exempelvis en industriprocess, och leds sedan genom borrhål in i lagringsvolymen. I dessa borrhål sker värmeväxling och temperaturen i lagret ökar. Då värmen sedan ska tas ut vänds bara processen och värmebäraren tar då upp värme från lagringsvolymen istället.
Men… något som tydligt kunde urskiljas i analysen var komplexiteten och känsligheten i utformningen av värmelagret. Konceptuellt är metoden simpel då borrhål utnyttjas för värmeutbyte med lagringsvolymen. Detta genom att en värmebärande vätska flödar genom ett slutet system av borrhål i lagringsvolymen. Från den genomförda utvärderingen visade det sig att parametrar så som lagringsvolym, borrhålsdjup och antal borrhål har stor betydelse för mängden energi som kan lagras och tas ut. Huvudsakligen läggs fokus i detta arbete vid uttagsmöjligheterna, vilka visade sig vara starkt beroende av lagerdesign och isolering. Utöver detta tillkommer även risker för påverkan på termisk prestanda i form av förekomst av mycket värmeledande zoner samt grundvattenflöden. Stor vikt läggs vid behov av kännedom kring geologiska och hydrogeologiska förutsättningar då dessa kan anses styrande för designen.
En av de huvudsakliga slutsatserna vilken kunde bekräftas av projektet var den termiska prestandans beroende av den isolerande förmågan hos topp-isoleringen. Detta beroende illustreras av figuren nedan där värmeledningsförmågan hos isoleringsmaterialet, samt dess tjocklek, visas. I figuren motsvarar 0,1 kJ/(h m K) cellplast och 2,4 kJ/(h m K) vatten. Det är från denna figur som ett materialperspektiv kan tillämpas. Vidare kan denna figur översättas till att motsvara ekonomiska värden då mängden uttagen energi direkt motsvarar ett ekonomiskt värde. Figuren ger således grund för analys av vilka vinster som finns att göra vid utformningen av isoleringen. För att systemet skall kunna ge ekonomisk vinning måste värdet från inlagring öka i sådan grad att denna ökning täcker för kostnaderna som systemet medför.
De orden vi valt att avsluta med behandlar potentialen för konceptet och dess möjliga framtida effekt: Se termisk energilagring för dess miljö- och ekonomiska potential, för vem vet… kanske är detta en av nycklarna till att låsa upp grinden till morgondagens hållbara samhälle.

• author: Magnusson, Tobias and Ljunggren, Joel
• supervisor: Jan-Erik Rosberg
• organization: Engineering Geology; Civil Engineering (M.Sc.Eng.)
• alternative title: Högtemperatursvärmelagring i berg ur ett design- och isoleringsperspektiv
• course: VTGM05 20191
• year: 2019
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: High Temperature Borehole Thermal Energy Storage, HT-BTES, Thermal Energy Storage, TRNSYS
• publication/series: ISRN
• report number: ISRN LUTVDG/(TVTG--5161)/1-136(2019)
• other publication id: ISRN LUTVDG/(TVTG--5161)/1-136(2019)
• language: English
• additional info: Examiner: Gerhard Barmen
• id: 8991787
• date added to LUP: 2019-08-13 11:35:18
• date last changed: 2020-09-10 09:37:38