Recent years have seen a growing interest in large-scale high-temperature borehole thermal energy storage (HT-BTES) as a means to store industrial waste heat and solar energy between the seasons. A profound understanding and characterization of the thermal and hydraulic processes involved in such systems is required for the optimal design as well as for environmental assessments of the storage. In this work, the importance of groundwater flow effects on the thermal performance of HT-BTES has been studied. The current research status on groundwater flow and transport modeling techniques applied in the field of shallow geothermal energy as well as in other geosciences disciplines has been reviewed. A finite element heat conduction model of an existing HT-BTES located in dry heterogeneous soil has been developed and validated against operational and monitoring data. The heat conduction model provided a basis by which to compare the behaviour and performance of the storage under influence of ground waterflow. Numerical experiments were conducted considering both pure heat conduction as well as different scenarios accounting for groundwater flow. A performance evaluation study based on key performance indicators in terms of energy and exergy efficiencies has been carried out to quantify the impact of groundwater flow on the amount and quality of the heat being stored and exchanged. The analysis shows that the presence of groundwater flow is in general detrimental to the energy and exergy performance of the HT-BTES. The results indicate, however, that small groundwater flow rates also can have a slight positive effect on seasonal energy and exergy efficiencies as compared to case of pure conduction. Further studies are though needed where a wider range of time scales, BHE designs, operation conditions and subsurface conditions are adressed. From the inherent uncertainties associated with subsurface flow and transport processes it follows that general guidelines on how and under what conditions groundwater flow may have impact on BTES design and performance are difficult to provide. The characteristics of these processes in porous, and particularly fractured, media are often very site-specific and scale dependent, making it a challenging task to select and use an appropriate modeling approach that can capture all relevant features of the problem. To face this challenge, various modeling approaches, typically based on deterministic and stochastic continuum or discrete fracture network concepts, have been developed within the field of subsurface flow and transport modeling. To widen the modeling framework typically employed in shallow geothermal energy applications, their applicability also in the context of BTES modeling could be explored. / Intresset för säsongslagring av industriell överskottsvärme och solenergi genom högtemperaturborrhålslager(HT-BTES) har på senare år ökat. För att möjliggöra en optimal design av dessa system, samt för att bedöma deras inverkan på omgivande miljö, krävs djupgående förståelse och karaktärisering av de kopplade termiska och hydrauliska processer som påverkar lagret. I detta arbete har grundvattenflödets inverkan på högtemperaturlagers termiska prestanda behandlats. Nuvarande kunskapsläge inom modellering av grundvattenflödes- och transportprocesser i porösa och sprickiga medier har granskats, liksom dess användning inom geoenergi och andra geovetenskapliga områden. En värmeledningsmodell av ett befintligt HT-BTES i torr, heterogen jord har utvecklats genom finita elementmetoden och validerats mot mätdata. Värmeledningsmodellen tillämpades som referens för jämförelse med utökade modeller i vilka inverkan av grundvattenströmning beaktats genom koppladehydro-termiska beräkningar. En utvärdering av lagrets prestanda med avseende på nyckelindikatorer i formav energi- och exergiverkningsgrad har utförts för att kvantifiera inverkan av grundvattenflödet på mängden och kvaliteten av den värme som överförs och lagras genom borrhålslagret. Resultaten visar att förekomstenav grundvattenströmningar genom lagret generellt har en negativ inverkan på dess energi- ochexergiverkningsgrad. Däremot finns det i resultaten indikationer om att låga grundvattenflöden även kan bidra till en svagt positiv effekt jämfört med fallet med ren värmeledning. Vidare och mer omfattande studier bör dock utföras där längre tidsskalor samt en större uppsättning lagerdimensioner, driftscenarion, och markförhållanden beaktas. Till följd av att det kring strömnings- och transportprocesser i mark alltid råder inneboende osäkerheter är det svårt att upprätta generella riktlinjer kring hur och under vilka omständigheter ett grundvattenflöde kan ha inverkan på ett borrhålslagers design och prestanda. Typiskt för dessa processer i porösa och i synnerhet sprickiga medier är att de är mycket platsspecifika och skalberoende, vilket medför utmaningar vid valet av ett lämpligt modellkoncept för att beskriva dem med erfoderlig precision. Detta har lett till att ett stort antal modelleringskoncept har utvecklats och prövats för detta ändamål, vilka främst baseras på antaganden om deterministiska eller stokastiska kontinuum och diskreta spricknätverk. Tillämpbarheten av dessa modellkoncept även för modellering av HT-BTES bör undersökas och utvärderas för att möjliggöra analys av borrhålslager under inverkan av komplexa strömningsförhållanden.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-293686 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Hesselbrandt, Max |
| Publisher | KTH, Energiteknik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ITM-EX ; 2020:617 |
Page generated in 0.0023 seconds