TU Darmstadt / ULB / TUprints

Simulation and Optimization of Medium Deep Borehole Thermal Energy Storage Systems

Schulte, Daniel Otto :
Simulation and Optimization of Medium Deep Borehole Thermal Energy Storage Systems.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

[img]
Preview
Text
Dissertation_Schulte.pdf
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons Attribution Non-commercial No-derivatives 4.0.

Download (12MB) | Preview
[img] Archive
2016_Schulte.zip
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons Attribution Non-commercial No-derivatives 4.0.

Download (3GB)
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Simulation and Optimization of Medium Deep Borehole Thermal Energy Storage Systems
Language: English
Abstract:

In the heating and cooling sector, borehole heat exchangers (BHE) have become increasingly popular for supplying renewable energy. When grouped in compact arrays, BHEs represent suitable thermal energy storage systems for fluctuating heat sources such as solar energy or district heating grids. Tapping into greater depth allows for storage operation on a higher temperature level. This so called medium deep borehole thermal energy storage (BTES) requires negligible groundwater flow in the reservoir rock and the thermal insulation of the upper part of the boreholes to meet legal requirements and to improve the BHEs’ performance. Medium deep BTES is characterized by a slow thermal response and a large storage capacity, which makes it particularly suitable for seasonal heat storage applications. However, the economic feasibility of these systems is compromised by high investment costs, especially by the expensive drilling of the boreholes. Therefore, a priori numerical simulations of the storage operation are imperative for the systems’ planning and design. Only fully discretized models can account for depth-dependent borehole properties like insulated sections, but the model setup is cumbersome and the simulations come at high computational cost. Hence, these models are often not suitable for the simulation of larger installations and are difficult to handle in mathematical optimization applications. This thesis presents a versatile tool for the simulation and optimization of medium deep BTES systems. The Borehole Heat Exchanger Array Simulation and Optimization tool (BASIMO) includes models for the three most common BHE types: U-pipe, double U-pipe and coaxial pipe BHEs. In a dual-continuum approach, the simulator couples a numerical subsurface model with an analytical solution for the BHEs, which allows for the efficient, but detailed consideration of the relevant thermo physical and operational parameters. With the presented tool, many aspects of BTES systems can be simulated and optimized. The concept of medium deep BTES has not been put into practice so far. However, simulations yield promising results and show that large scale medium deep BTES can achieve more than 80 % storage efficiency. The performance is sensitive to many geological, material and operational parameters, but also to the interaction between the BHE array and the downstream heating system. Therefore, future research should focus on coupled simulations including the above ground facilities and, more importantly, on the realization of field experiments including first and foremost a pilot plant, which could help to push this promising technology to economic viability.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Erdwärmesonden kommen zur Bereitstellung erneuerbarer Wärme und Kälte immer stärker zum Einsatz. Als engständige Sondenfelder stellen Erdwärmesonden Speichersysteme dar, die für Wärme aus fluktuierenden Quellen wie Solarthermie oder Nahwärmenetzen geeignet sind. Werden dabei im Untergrund von einem Sondenfeld größere Tiefen erschlossen, sind höhere Betriebstemperaturen im Wärmespeicher möglich. Solche sogenannten mitteltiefen Erdwärmesondenspeicher erfordern Standorte mit vernachlässigbar geringem Grundwasserfluss im Reservoir und eine thermische Isolierung im oberen Abschnitt der Bohrlöcher, um dem Grundwasserschutz gerecht zu werden und um die Entzugstemperaturen der Erdwärmesonden zu verbessern. Mitteltiefe Erdwärmesondenspeicher zeichnen sich durch ein verhältnismäßig träges thermisches Verhalten und hohe Speicherkapazitäten aus. Dadurch ist diese Technologie für die saisonale Speicherung von Wärme besonders geeignet. Hohe Investitionskosten, besonders bedingt durch teure Bohrungen, stellen ein Risiko dar und können die Wirtschaftlichkeit eines Erdwärmesondenspeichers gefährden. Deshalb sind vorab numerische Simulationen des Speicherbetriebs zwingend für die Planung und Dimensionierung solcher Systeme erforderlich. Bisher konnten nur voll diskretisierte Modelle tiefenabhängige Eigenschaften wie die teilweise Isolierung des Bohrlochs berücksichtigen. Das Erstellen und die Simulation solcher Modelle sind jedoch aufwändig und sehr rechenintensiv. Daher sind voll diskretisierte Modelle für die Simulation großer Sondenfelder meist ungeeignet. Darüber hinaus ist eine mathematische Optimierung in den Simulationsprogrammen gewöhnlich nicht vorgesehen. In dieser Dissertation wird ein neues, vielseitiges Softwaretool vorgestellt, dass für die Simulation und Optimierung von mitteltiefen Erdwärmesondenspeichern geeignet ist. Das Borehole Heat Exchanger Array Simulation and Optimization (BASIMO) Tool kann Modelle mit den drei gängigen Erdwärmesondentypen U-Sonde, Doppel U-Sonde und Koaxialsonde, berechnen. In einem Zwei-Kontinuumsmodell wird die numerische Berechnung des Wärmetransports im Untergrund mit einer analytischen Lösung für die thermische Interaktion der Erdwärmesonden gekoppelt. Dies ermöglicht eine effiziente, aber detaillierte Modellierung der Erdwärmesonden, welche die relevanten thermo-physikalischen Material- und Betriebsparameter berücksichtigt. Mit dem diesem Simulationstool können viele Aspekte von Erdwärmesondenspeichern simuliert und optimiert werden. Die mitteltiefe Speicherung von thermischer Energie mittels Erdwärmesonden wurde bisher noch nicht umgesetzt. Die Simulationen ergeben jedoch vielversprechende Ergebnisse: mit großen Sondenfeldern und entsprechend großen Wärmemengen, lassen sich Speichernutzungsgrade von über 80 % erzielen. Dabei ist die Leistung der Erdwärmesondenspeicher sowohl von geologischen, als auch von Material- und Betriebsparametern abhängig. Es zeigt sich aber, dass auch die dynamische Interaktion zwischen Erdwärmesondenspeicher und nachgeschaltetem Heizsystem eine große Rolle spielt. Zukünftige Forschung sollte sich deshalb auf gekoppelte Simulationen der Erdwärmesondenspeicher und der obertägigen Anlagen konzentrieren, vor allem jedoch auf die Umsetzung erster Demonstrationsprojekte, mit deren Hilfe diese vielversprechende Technologie zur Marktreife gebracht werden kann.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Geothermal Science and Technology
Date Deposited: 22 Dec 2016 11:03
Last Modified: 22 Dec 2016 11:03
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-58854
Referees: Sass, Prof. Dr. Ingo and Geiger, Prof. Dr. Sebastian
Refereed: 19 December 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5885
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year