Insights into large-scale seasonal hot-water tanks and pits: Modelling, techno-economic analysis and optimization

Abstract:

In the European countries, the buildings sector consumes a large amount of conventional energy sources and, thus, this sector significantly contributes to greenhouse gas emissions produced via the combustion of fossil fuels. Therefore, the European Union has introduced several policies to minimize this consumption by transitioning the buildings into more energy efficient ones, whereas other policies focus on integrating renewables into the energy sector. In this context, renewables-based district heating (R-DH) is one of the promising technologies that reduces the use of conventional fuels (e.g. coal, natural gas) and, thereby, leads to fewer CO₂ emissions. The main drawback of renewable energy resources, however, is that they fluctuate on a daily and seasonal basis. For example, the solar energy has the highest heat availability in summer, while the highest demand is in winter. Thus, large-scale thermal energy storage (TES) emerges as a key for the expansion of R-DH

Large-scale thermal energy storage is capable of bridging the seasonal gap between the heating demand and the availability of renewable energy resources (e.g. solar energy). Yet, the planning and construction of hot-water tanks and pits is a complex interconnected process. There are many challenges e.g. TES type, volume and ground conditions need to be tackled in order to obtain an optimal planning solution for TES integration. Accordingly, this study briefly reviews the different seasonal thermal energy storage technologies that are feasible for district heating applications. Then, the work focuses chiefly on large-scale hot water TES (tanks and pits), addressing the issues that might arise during the planning and construction of such systems. As those systems are frequently hosted in the subsurface, groundwater tables are expected to lead to twofold impacts due to the TES-groundwater interaction. Thus, the work pays a considerable amount of attention to this interaction.

As these systems are planned with large volumes, numerical modeling and simulation can be regarded as an alternative to real world experiments in order to achieve the optimal planning layout. As a consequence, this work develops numerical finite element models for large-scale tanks and pits. To obtain credibility in the approach, the models are calibrated against measured data from the Dronninglund pit TES in Denmark. The outcomes exemplify that the simulation method is suitable and the models can be calibrated very well. Next, the work carries out a cross-comparison study between a model developed in COMSOL Multiphysics® and FEFLOW, which is a well-established tool for groundwater simulation, to demonstrate the usability of the developed model in COMSOL Multiphysics® for the investigation of groundwater-TES interaction. The outcomes reveal a good agreement between both tools, allowing the utilization of the numerical models developed in COMSOL Multiphysics® for detailed planning.

As it is important to achieve the optimal planning layout for the envisioned large-scale TES, this work develops a framework for techno-economic analysis considering several key performance indicators (e.g. energy efficiency, exergy efficiency). As TES systems integrated in DH are typically stratified, the work also examines the TES by means of stratification number and efficiency. The economic feasibility of the TES options is examined via the TES specific investment cost. Then, the work recommends the levelized cost of stored heat (LCOS) as a practical measure for the TES techno-economic feasibility. The outcomes show that the tank has higher performance in terms of efficiency indicators (energy and exergy) and stratification measures, but it is characterized by high specific cost. Yet, the tank LCOS is lower than that of the shallow pit due to low performance of the shallow pit and despite its low specific cost.

Accordingly, in order to take advantage of the tank’s better performance and shallow pit’s lower specific cost, the work proposes a third TES geometry called as hybrid TES that combines both tank and shallow pit. The results reveal the potential of this geometry as it proves a promising option. Furthermore, the results indicate that the transition to low-temperature R-DH brings technical and economic advantages as the LCOS tends to be lower than that of TES installed in high-temperature R-DH.

Given the fact that the subsurface might frequently experience unfavorable geological conditions (i.e. groundwater flow), the work examines the twofold influence of groundwater flow-TES interaction in a pre- planning framework. The findings emphasize that the transition from favorable geological conditions (i.e. no groundwater) to unfavorable ones (e.g. groundwater flow) leads to higher thermal losses from the TES. Besides, the groundwater temperature exceeds the 20°C limit and, therefore, violates national groundwater quality management standards.

Due to the increase in TES thermal losses and groundwater temperatures, several effective measures are introduced to reduce the influence of the twofold interaction. In this regard, the work introduces the cut-off walls and the outcomes affirm that the increase in the cut-off wall distance results in lower TES thermal losses and lower groundwater temperature. Yet, a distance of, for example, d_cw = 10 m is not sufficient to reach temperatures below typically 20°C under the given boundary conditions.

Additionally, the work examines several insulation qualities in order to keep groundwater temperature around the tank below 20°C. Despite the increase in the cut-off wall distance up to 5 m with high quality insulation (U_side = 0.04 W/(m².K)), it is still challenging to maintain groundwater temperature below typically 20°C. But on the other hand, the results prove that the increase of cut-off wall distance up to 25 m with an insulation quality of (U_side = 0.04 W/(m².K)) leads to prevent the overheating of the groundwater temperature.

Moreover, the work reveals that due to the importance of increasing the economic feasibility for large-scale TES, it is crucial to develop new materials and construction methods to ensure cost-efficient insulation of the buried TES.

Zusammenfassung:

In den europäischen Ländern verbraucht der Gebäudesektor eine große Menge an konventionellen Energiequellen und trägt somit erheblich zu den Treibhausgasemissionen bei, die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen. Aus diesem Grund hat die Europäische Union mehrere politische Maßnahmen eingeführt, um diesen Verbrauch zu minimieren, indem die Gebäude in energieeffizientere Gebäude umgewandelt werden, während sich andere Maßnahmen auf die Integration erneuerbarer Energien in den Energiesektor konzentrieren. In diesem Zusammenhang ist die auf erneuerbaren Energien basierende Fernwärme (auf Englisch: Renewables-based district heating bzw. abgekürzt R-DH) eine der vielversprechenden Technologien, die den Einsatz von konventionellen Brennstoffen (z.B. Kohle, Erdgas) reduziert und dadurch zu weniger CO2-Emissionen führt. Der größte Nachteil der erneuerbaren Energieressourcen ist jedoch, dass sie tages- und saisonabhängig schwanken. So hat z.B. die Solarenergie im Sommer die höchste Verfügbarkeit, während der Bedarf im Winter am höchsten ist. Daher erweisen sich große Wärmespeicher (auf Englisch: Thermal energy storage bzw. abgekürzt TES) als Schlüssel für den Ausbau von R-DH.

Die großen thermischen Energiespeicher sind in der Lage, die saisonale Lücke zwischen dem Wärmebedarf und der Verfügbarkeit von erneuerbaren Energieressourcen (z.B. Solarthermie) zu überbrücken. Doch die Planung und der Bau von großen Warmwasserbehältern und -erdbecken ist ein komplexer, zusammenhängender Prozess. Es gibt viele Herausforderungen, z.B. Wärmespeicher-Typ, Volumen und Bodeneigenschaften, die berücksichtigt werden müssen, um eine optimale Planungslösung für die Wärmespeicher-Integration zu erhalten. Dementsprechend gibt diese Arbeit einen kurzen Überblick über die verschiedenen saisonalen thermischen Energiespeichertechnologien, die für Fernwärmeanwendungen mit Wasser als Speichermedium in Frage kommen. Anschließend konzentriert sich die Arbeit vor allem auf große Warmwasser-Wärmespeicher (Behälter und flache Erdbecken) und behandelt die Probleme, die bei der Planung und dem Bau solcher Systeme auftreten können. Da diese Systeme häufig im Untergrund untergebracht sind, wird erwartet, dass der Grundwasserspiegel aufgrund der Wechselwirkung zwischen Wärmespeicher und Grundwasser zu einer gegenseitigen Beeinflussung führt. Daher widmet diese Arbeit dieser Wechselwirkung einen erheblichen Teil der Aufmerksamkeit.

Da diese Anlagen mit großen Volumina geplant werden, kann die numerische Modellierung und Simulation als Alternative zu realen Versuchen angesehen werden, um die optimale Planungsauslegung zu erreichen. Als Konsequenz entwickelt diese Arbeit numerische Finite-Elemente-Modelle für großvolumige Behälter und Erdbecken. Um die Glaubwürdigkeit des Ansatzes zu erhalten, werden die Modelle gegen gemessene Daten aus dem Erdbeckenwärmespeicher in Dronninglund, Dänemark kalibriert. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die Simulationsmethode geeignet ist und die Modelle sehr gut kalibriert werden können. Als nächstes führt die Arbeit eine Quervergleichsstudie zwischen einem in COMSOL Multiphysics® entwickelten Modell und FEFLOW, einem etablierten Werkzeug für die Grundwassersimulation, durch, um die Anwendbarkeit des in COMSOL Multiphysics® entwickelten Modells für die Untersuchung der Grundwasser-Wärmespeicher-Interaktion zu demonstrieren. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen beiden Tools, so dass die in COMSOL Multiphysics® entwickelten numerischen Modelle für die Detailplanung genutzt werden können.

Da es wichtig ist, die optimale Planungsauslegung für die anvisierten großtechnischen Wärmespeicher zu erreichen, entwickelt diese Arbeit einen Rahmen für die techno-ökonomische Analyse unter Berücksichtigung mehrerer wichtiger Leistungsindikatoren (z.B. Energieeffizienz, Exergieeffizienz). Da Wärmespeicher-Systeme, die in R-DH integriert sind, typischerweise geschichtet sind, untersucht die Arbeit die verschiedenen Wärmespeicher-Typen auch anhand der Schichtungszahl und der Effizienz. Die wirtschaftliche Machbarkeit der Wärmespeicher-Optionen wird über die Wärmespeicher-spezifischen Investitionskosten untersucht. Anschließend empfiehlt die Arbeit die Gestehungskosten der gespeicherten Wärme (auf Englisch: Levelized cost of stored heat bzw. abgekürzt LCOS) als praktisches Maß für die techno-ökonomisch Machbarkeit der Wärmespeicher. Die Ergebnisse zeigen, dass der Behälter eine höhere Leistung in Bezug auf Effizienzindikatoren (Energie und Exergie) und Schichtungsmaßnahmen hat, aber durch hohe spezifische Kosten gekennzeichnet ist. Dennoch ist die Behälter-LCOS niedriger als die der flachen Erdbecken aufgrund der geringen Effizienz der flachen Erdbecken und trotz ihrer niedrigen spezifischen Kosten.

Um die Vorteile der besseren Effizienz der Behälter und der geringeren spezifischen Kosten der flachen Erdbecken zu nutzen, wird in dieser Arbeit eine dritte Wärmespeicher-Geometrie vorgeschlagen, die als Hybrid-Wärmespeicher bezeichnet wird und sowohl Behälter als auch flache Erdbecken kombiniert. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial dieser Geometrie, da sie sich als eine vielversprechende Option erweist. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass der Übergang zu Niedertemperatur-R-DH technische und wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt, da die LCOS tendenziell niedriger ist als das von Wärmespeicher, die in Hochtemperatur-R-DH installiert sind.

Da im Untergrund häufig ungünstige geologische Verhältnisse (z.B. Grundwasserströmung) auftreten können, wird in der Arbeit der wechselseitige Einfluss der Grundwasserströmung im Rahmen einer Vorplanung untersucht. Die Ergebnisse unterstreichen, dass der Übergang von günstigen geologischen Bedingungen (d.h. kein Grundwasser) zu ungünstigen (z.B. Grundwasserströmung) zu höheren thermischen Verlusten des Wärmespeichers führt. Außerdem überschreitet bei dem ungedämmten Wärmespeicher die Grundwassertemperatur die 20°C-Grenze und verstößt damit gegen nationale Grundwasserqualitätsmanagementnormen.

Aufgrund des Anstiegs der thermischen Verluste des Wärmespeichers und der Grundwassertemperaturen werden mehrere wirksame Maßnahmen eingeführt, um den Einfluss der zweifachen Wechselwirkung zu verringern. In diesem Zusammenhang wird in diese Arbeit das Konzept der Dichtwände eingeführt und untersucht und die Ergebnisse bestätigen, dass die Vergrößerung des Dichtwandabstands zu geringeren thermischen Verlusten der Wärmespeicher und niedrigeren Grundwassertemperaturen führt. Dennoch ist ein Abstand von z.B. d_cw = 10 m nicht ausreichend, um Temperaturen unter typischerweise 20°C unter die gegebenen Randbedienungen zu erreichen.

Zusätzlich werden in der Arbeit verschiedene Dämmungsqualitäten untersucht, um die Grundwassertemperatur um den Behälter unter 20°C zu halten. Trotz der Vergrößerung des Dichtwandabstands bis zu 5 m mit einer hochwertigen Dämmung (U_side = 0,04 W/(m².K)) ist es immer noch eine Herausforderung, die Grundwassertemperatur unter typischerweise 20°C zu halten. Andererseits belegen die Ergebnisse, dass mit einer Erhöhung des Dichtwandabstandes bis zu 25 m und einer entsprechenden Dämmqualität (von z.B. U_side = 0,04 W/(m².K)) die Übererwärmung der Grundwassertemperatur vermieden werden kann.

Darüber hinaus zeigt die Arbeit, dass es aufgrund der Bedeutung der Erhöhung der wirtschaftlichen Machbarkeit für die großtechnischen Wärmespeicher entscheidend ist, neue Materialien und Bauweisen zu entwickeln, um ein kosteneffizienter Dämmstoff der erdverlegten Wärmespeicher zu gewährleisten.