Kortlægning af mulighederne for geologisk varmelagring

Transkript

1 VIA University College Kortlægning af mulighederne for geologisk varmelagring AP2: Tekniske og miljømæssige muligheder og risici Søren Erbs Poulsen, Docent Brædstrup Fjernvarme

2 Indhold Undergrunden som energikilde og lager (Danmark) Temperaturer i undergrunden Varmetransport og kapacitet Grundvandsforhold Screeningsværktøj til vurdering af lagring og indvinding Beregningsmodel Parameterstudie Simplificering med regression Anvendelse i screeningsværktøj

3 Indhold Undergrunden som energikilde og lager (Danmark) Temperaturer i undergrunden Varmetransport og kapacitet Grundvandsforhold Screeningsværktøj til vurdering af lagring og indvinding Beregningsmodel Parameterstudie Simplificering med regression Anvendelse i screeningsværktøj

4 AP2: Tekniske og miljømæssige muligheder og risici Borehole Thermal Energy Storage (BTES) De danske kalkaflejringer Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) Overfladenære sandmagasiner Grundfjeld Aflejringer over kalken Mellemdybe Miocæne sandmagasiner Sandsten m under Aalborg

5 AP2: Tekniske og miljømæssige muligheder og risici Borehole Thermal Energy Storage (BTES) De danske kalkaflejringer Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) Overfladenære sandmagasiner Grundfjeld Aflejringer over kalken Mellemdybe Miocæne sandmagasiner Sandsten m under Aalborg

6 Den overfladenære geologi i Danmark Kilde:

7 Temperaturer Gennemsnitlig temperaturstigning på 27,4 C/km Laterale variationer i temperaturen grundet geologiske forhold Overfladenær geotermi ( m): 9-44 C Kilde: Poulsen et al. (2012) i regi af The geothermal energy potential in Denmark reservoir properties, temperature distribution, and models for utilization, Det strategiske forskningsråd, GEUS, Geologisk Institut AU, SGU, DONG Energy, Dansk Fjernvarmes Geotermiselskab,

8 Kilde: dmi.dk T(z, t) = T 0 + A exp z ω 2α cos ωt z ω 2α

9 φ = φ 0 e kz = f φ m 1 φ T(z ) = T(0) + q 1 (z) dz 0 z ISTIDER!

10 Varmetransport og kapacitet Varmeledning dominerer i den danske undergrund ( = 1-3 W/m/K) Varmetransport i jorden Jorden har en relativ høj varmekapacitet ( c = 1-4 MJ/m 3 /K)

11 Varmetransport og kapacitet Varmeledning dominerer i den danske undergrund ( = 1-3 W/m/K) Jorden har en relativ høj varmekapacitet ( c = 1-4 MJ/m 3 /K) L = α t Lav diffusivitet α = / c ~ 10-6 m 2 /s glimrende lageregenskab

12 Varmeledningsevne Kalk Fouriers varmeledningslov: q = T Aflejringer over kalken Kilde: Balling et al. 1981

13 φ = φ 0 e kz = f φ m 1 φ T(z ) = T(0) + q 1 (z) dz 0 z

14 Grundvandsforhold Grundvandsstrømning v foregår i vandførende lag med en hydraulisk gradient h (typisk 1-5 ) h = 1 K = 10-4 m/s q = 100 W/m v = q n = K n h Reducerer kapacitet ved kombineret lagring og indvinding Forbedrer anlæg der udelukkende leverer enten varme eller køl T = T N i=1 exp q ( c) w x 2α c K 0 q ( c) w r 2α c

15 Grundvandsforhold Grundvandsstrømning v foregår i vandførende lag med en hydraulisk gradient h (typisk 1-5 ) v = q n = K h n L = v t = m! Reducerer kapacitet ved kombineret lagring og indvinding Forbedrer anlæg der udelukkende leverer enten varme eller køl

16 Screeningsværktøj til vurdering af lagring og indvinding

17 Screeningsværktøj til vurdering af lagring og indvinding Brugerflade (GIS-lag) Lagret og indvundet energi Minimalt brugerinput Simpel, empirisk varmelagermodel Noget der kan bruges! Regression Parameterstudie Kompleks varmelagermodel (BTES,ATES) Geometri (3D) Termiske og hydrauliske parametre Drift Geologisk information Maksimal lagring og indvinding

18 Screeningsværktøj til vurdering af lagring og indvinding Brugerflade (GIS-lag) Simpel, empirisk varmelagermodel Kompleks varmelagermodel (BTES,ATES) Geometri (3D) Termiske og hydrauliske parametre Drift Geologisk information

19 FEFLOW (3D FEM model) Varmetransport i jorden Parameterstudie Varmeledningsevne, BHE længde og antal Hundreder af modelkald Automatisering med Python API Variation af parametre Eksport af energibalancer

20 FEFLOW-model af Brædstrup BTES

21 Screeningsværktøj til vurdering af lagring og indvinding Brugerflade (GIS-lag) Simpel, empirisk varmelagermodel Regression Kompleks varmelagermodel (BTES,ATES) Geometri (3D) Termiske og hydrauliske parametre Drift Geologisk information

22 Lagring og indvinding i kalken Regressionsmodel: y = b 0 + b 1 x 1 + b 2 x b 3 x 2 + b 4 x b 5 x 1 x 2 Brugerinput: Antal BHE (x 1 ) Længde af BHE (x 2 )

23 Lagring og indvinding i kalken Regressionsmodel: y = b 0 + b 1 x 1 + b 2 x b 3 x 2 + b 4 x b 5 x 1 x 2 Brugerinput: Antal BHE (x 1 ) Længde af BHE (x 2 )

24 Lagring og indvinding over kalken Brugerinput: Antal BHE Eksisterende (?) information Længde af BHE Varmeledningsevne

25 Lagring og indvinding over kalken Brugerinput: Antal BHE Eksisterende (?) information Længde af BHE Varmeledningsevne

26 Prototype i Excel BTES post kalk Input Interval Antal jordvarmevekslere Varmeledningsevne af jord 1.9 W/m/K 1-3 W/m/K Længde af jordvarmeveksler 75 meter m Beregningsresultater Lagring 2508 MWh/år Indvinding 2153 MWh/år Genindvinding efter 10 år 86%