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Technical, Environmental and Economic Assessment of Medium Deep Borehole Thermal Energy Storage Systems

Welsch, Bastian :
Technical, Environmental and Economic Assessment of Medium Deep Borehole Thermal Energy Storage Systems.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Technical, Environmental and Economic Assessment of Medium Deep Borehole Thermal Energy Storage Systems
Language: English
Abstract:

In Germany, the reduction of greenhouse gas emissions has been stagnating for a couple of years now. As a consequence, the climate targets for 2020 are at a risk of being missed. The energy transformation has strongly focused on the electricity sector while mostly disregarding the heating sector. Solar thermal energy and industrial waste heat offer a considerable potential for the replacement of fossil fuels in the heating sector. However, their utilization is hampered by the asynchronous seasonal fluctuation of heat demand and heat supply. Thermal energy storage technologies are required, which are able to absorb large amounts of heat in summer, store it for several months and release it during winter with minimal losses. Borehole thermal energy storage (BTES) is such a technology for seasonally storing heat on a district scale. A dense array of multiple borehole heat exchangers (BHE) exploits the natural subsurface as a heat storage medium. Conventional BTES systems usually do not exceed a depth of 200 m. Consequently, their operation implies a large thermal impact on shallow geologic formations. This, in combination with comparatively strict groundwater regulations in Germany, impedes the construction of such shallow systems. The unprecedented, still unrealized concept of medium deep borehole thermal energy storage (MD-BTES) is expected to remedy these shortcomings. MD-BTES systems consist of much less, but appreciably deeper BHEs (up to 1000 m). Consequently, they require significantly less ground surface. Therefore, they are particularly advantageous in densely populated urban areas, which are characterized by large heat demands and scarcely available space. More importantly, a large portion of the thermal energy is stored into deeper geologic formations, reducing the thermal impact on shallow aquifer systems. However, the magnitude of this reduction has not been quantified yet. Furthermore, the general applicability of MD-BTES systems, as well as their economic and environmental implications remain unclear. As part of this thesis, a large number of numerical simulations was analyzed in a parameter study to investigate the influence of various design and operation variables on the performance of MD-BTES systems. In total, 200 different MD-BTES geometries were compared. Moreover, the influence of subsurface conditions, operating temperatures and the interconnection scheme of BHEs was studied. The results demonstrate the excellent suitability of MD-BTES systems for large scale seasonal heat storage. With a proper dimensioning and in convenient geological and hydrogeological framework conditions, these systems can reach storage efficiencies of 80% or more, while maintaining relatively high supply temperatures of 30 °C. Further numerical simulations provide evidence for a significant mitigation of the thermal impact on shallow groundwater resources by the application of MD-BTES systems instead of their shallow counterparts. In order to resolve the economic and environmental questions connected to MD-BTES, a MATLAB based assessment tool was developed. It is used for a comprehensive economic and environmental life cycle assessment study on the integration of MD-BTES into district heating concepts. The results reveal the dependency of the economic and environmental impacts on the assumed financial and economic boundary conditions. However, they also demonstrate the high economic competitiveness of MD-BTES in combination with solar thermal collector fields, when supposing a likely increase of energy prices in the future. Furthermore, the combination of a solar thermal collector field, an MD-BTES system and a small combined heat and power plant undercuts the emissions of system combinations without any seasonal storage by 32% and more, when assuming a probable decrease in the emission factor of the electricity grid mix.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Reduzierung der Treibhausgasemissionen in Deutschland stagniert seit einigen Jahren. Die Klimaziele für das Jahr 2020 sind gefährdet. Dies ist nicht zuletzt auch der starken Fokussierung der Energiewende auf den Strommarkt zuzuschreiben. Gerade im Wärmesektor liegt jedoch ein erhebliches Potenzial für die Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Aufgrund deutlich ausgeprägter, gegenläufiger saisonaler Schwankungen des Wärmebedarfs und der Wärmebereitstellung z. B. aus solarthermischer Erzeugung, ergibt sich ein Wärmeüberschuss während der Sommermonate, der in der Regel ungenutzt bleibt. Dieser Wärmeüberschuss kann mittels geeigneter Technologien über mehrere Monate zwischengespeichert und zu Zeiten höheren Wärmeverbrauchs zur Gebäudebeheizung und Warmwasserbereitung bereitgestellt werden. Erdwärmesondenspeicher sind eine vielsprechende Technologie zur saisonales Wärmespeicherung auf Quartiersebene. Zahlreiche, in einer kompakten Anordnung niedergebrachte Erdwärmesonden dienen als Wärmetauscher mit dem natürlichen geologischen Untergrund und machen diesen als Wärmespeichermedium nutzbar. Herkömmliche, oberflächennahe Erdwärmesondenspeicher, die eine Tiefe von 200 m in der Regel nicht überschreiten, verursachen eine erhebliche thermische Anomalie im oberflächennahen Untergrund. Der vergleichsweise strenge Grundwasserschutz in Deutschland steht einem verbreiteten Einsatz von Erdwärmesondenspeichern daher bislang entgegen. Das innovative und baulich noch nicht umgesetzte Konzept der mitteltiefen Erdwärmesondenspeicherung umgeht dieses Problem. Mitteltiefe Speicher bestehen aus deutlich weniger, dafür bis zu 1000 m tiefen Erdwärmesonden. Dadurch benötigen mitteltiefe Speicher wesentlich weniger Baufläche. Dies ist insbesondere im dicht besiedelten urbanen Raum, wo sich der Wärmeverbrauch konzentriert, von großem Vorteil. Außerdem wird ein Großteil des Wärmeeintrages in den tieferen Untergrund verlagert, wodurch oberflächennahe Aquifere geschützt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zahlreiche numerische Simulationen durchgeführt, um den Einfluss von Auslegungs- und Betriebsparametern auf das Betriebsverhalten mitteltiefer Erdwärmesondenspeicher zu untersuchen. Über 200 unterschiedliche Speichergeometrien wurden verglichen. Außerdem wurden Betriebstemperaturen variiert und der Einfluss der Sondenverschaltung auf die Leistungsfähigkeit mitteltiefer Speicher analysiert. Die Simulationen belegen die hervorragende Eignung mitteltiefer Systeme zur saisonalen Wärmespeicherung. Bei vergleichsweise hohen Ausspeisetemperaturen von 30 °C und unter geeigneten geologischen und hydrogeologischen Randbedingungen können mitteltiefe Systeme Speichernutzungsgrade von über 80% erreichen. Weitere Simulationen zeigen zudem eine deutlich geringere thermische Beeinträchtigung oberflächennaher Grundwasservorkommen durch mitteltiefe Systeme als durch oberflächennahe Speichersysteme vergleichbarer Kapazität. Um eine Aussage zu ökonomischen und ökologischen Folgen treffen zu können, die mit der Integration mitteltiefer Erdwärmesondenspeicher in Fernwärmesysteme verbunden sind, wurde ein MATLAB basiertes Bewertungsinstrument entwickelt. Mit dessen Hilfe wurde eine umfassende lebenszyklusbasierte ökonomische und ökologische Bewertungstudie verschiedener Fernwärmeerzeugungssysteme durchgeführt. Diese Studie verdeutlicht, dass bei steigenden Kosten für Strom und Gas und gleichzeitiger Steigerung des regenerativen Stromanteils im Strommix der Einsatz mitteltiefer Speicher ein erhebliches Einsparpotenzial an Treibhausgasen unter wettbewerbsfähigen Bedingungen birgt.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Geothermal Science and Technology
Exzellenzinitiative > Graduate Schools > Graduate School of Energy Science and Engineering (ESE)
Date Deposited: 26 Feb 2019 14:45
Last Modified: 26 Feb 2019 14:45
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-83929
Referees: Sass, Prof. Dr. Ingo and Schebek, Prof. Dr. Liselotte
Refereed: 18 January 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8392
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