Methods for Researching the Stratification Phenomena and Parameters Effecting it in a Cavern Thermal Energy Storage
Thölix, Daniel (2021)
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021052531638
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021052531638
Tiivistelmä
At the moment energy companies in Finland have invested in large scale thermal energy storage to improve the efficiency of their district heating systems. This means that energy that would otherwise have beenwastedis saved until it is needed by heating large amounts of water and storing it in old underground oil stockpiles. Direct effects of this arethe lower fuel consumption of the powerplants in the area and with that lower emissions.
These thermal energy storages will be using the benefits of thermal stratification which means that the warmer water being charged into the storage will stay on the topof the storageand the colder water will stayon the bottom due to the density variations of hot and cold water. The layer between the hot and cold water is called the thermocline. This effect has been studied since the 1970s,but the influence of jet mixing and heat losses on the thermal stratification degradation is not clear.
The objective of this thesis was to cover how these coherent phenomenacould be studied. Two different alternatives were investigated, the first one includesusing the existing recently commissioned thermal energy storage on Vaskiluoto. The second alternative is building a small-scale testbed solution in Technobothniawhich is a research and development laboratory used by the universities in the city.
In this thesis, the parameters needed for the researchofthe different alternatives are compiledas well as the concept for a stratified thermal energy storage testbed. The concept covered process requirements for the testbedand suggestions for the insulation effecting the heat flux and the diffuser effecting the jet mixing.
The results show that bothalternativeshave their pros and cons. From a versatility viewpoint,the testbed solution is better but more expensive. The Vaskiluoto alternative is better since the unit already exists, but since it is in commercial use,some confidentiality issues might arise.
Further research in this field could be the final design and development of the testbed. The Vaskiluoto case could be further developed to serve both educational and research purposes by implementing more data collection possibilities. Further cooperation requiresan agreement with the company operating the energy storage. ----------
För tillfället har två energibolag i Finland investerat i storskalig energilagring av spillvärme för att förbättra verkningsgraden på deras fjärrvärmenät. Detta innebär att värmeenergin som annars skulle ha gått till spillo kommer att lagras tills efterfrågan höjs genom. Detta sker genom att värma upp vatten som sedan lagras i en underjordisk reservoar som tidigare har använts för oljeförvaring. De direkta konsekvenserna av detta är att bränsleförbrukningenminskar och med det också utsläppen.
Dessa två termiska energilager skall använda sig av fördelarna med termisk stratifiering. Termisk stratifiering innebär att det varmavattnet som laddas in i lagret samlas överst och det kallare vattnet samlas i bottenpå grund av densitets skillnaderna mellan varmt och kallt vatten. Mellanlagret mellan det kalla och det varma vattnet kallas för termoklin. Detta fenomen har studerats sedan 1970-talet men många effekter är ännu inte klara hur effekter så som jetblandning och värmeförluster inverkar på stratifierings förfallet.
Målet med detta arbete var att undersöka hur dessa sammanhängande fenomen inverkar på varandra. Två olika alternativ undersöktes, det första var att använda sig av det ny uppstartade energilagret på Vasklot i Vasa. Det andra alternativet är att bygga en testbäddenkom för ändamålet i Technobothnia som är ett forsknings och utvecklingslaboratorium i Vasa som användsav stadens universitet.
I arbetet samlas parametrarna som behövs för forskningen av stratifierings förfallet i båda alternativen, också ett koncept för testbädden som består av ett småskaligt termiskt energilager. Konceptet innehåller kraven för processens utrustningsamt förslag på dimensioneringen av isoleringen samt diffusorns utformning.
Resultatet av arbetet visar att båda alternativen har för och nackdelar. Alternativet bestående av testbädden vid Technobothnia är mera mångsidigt men kräver också mera investeringar. Alternativet bestående av samlande av data från energilagret på Vasklot kräver inga större investeringar men eftersom lagret är i kommersiell användning så kan det vara frågan om sekretessbelagd information som behöver samlas.
Vidare forskning inom detta ämne kan vara den slutliga designen och utvecklingen av testbädden. Alternativet med energilagret på Vasklot kan vidareutvecklas genom att ta kontakt med företaget och diskutera hur mycket data kan göras tillgängligt för forskningsändamål, också analysen av data kan påbörjas.
These thermal energy storages will be using the benefits of thermal stratification which means that the warmer water being charged into the storage will stay on the topof the storageand the colder water will stayon the bottom due to the density variations of hot and cold water. The layer between the hot and cold water is called the thermocline. This effect has been studied since the 1970s,but the influence of jet mixing and heat losses on the thermal stratification degradation is not clear.
The objective of this thesis was to cover how these coherent phenomenacould be studied. Two different alternatives were investigated, the first one includesusing the existing recently commissioned thermal energy storage on Vaskiluoto. The second alternative is building a small-scale testbed solution in Technobothniawhich is a research and development laboratory used by the universities in the city.
In this thesis, the parameters needed for the researchofthe different alternatives are compiledas well as the concept for a stratified thermal energy storage testbed. The concept covered process requirements for the testbedand suggestions for the insulation effecting the heat flux and the diffuser effecting the jet mixing.
The results show that bothalternativeshave their pros and cons. From a versatility viewpoint,the testbed solution is better but more expensive. The Vaskiluoto alternative is better since the unit already exists, but since it is in commercial use,some confidentiality issues might arise.
Further research in this field could be the final design and development of the testbed. The Vaskiluoto case could be further developed to serve both educational and research purposes by implementing more data collection possibilities. Further cooperation requiresan agreement with the company operating the energy storage.
För tillfället har två energibolag i Finland investerat i storskalig energilagring av spillvärme för att förbättra verkningsgraden på deras fjärrvärmenät. Detta innebär att värmeenergin som annars skulle ha gått till spillo kommer att lagras tills efterfrågan höjs genom. Detta sker genom att värma upp vatten som sedan lagras i en underjordisk reservoar som tidigare har använts för oljeförvaring. De direkta konsekvenserna av detta är att bränsleförbrukningenminskar och med det också utsläppen.
Dessa två termiska energilager skall använda sig av fördelarna med termisk stratifiering. Termisk stratifiering innebär att det varmavattnet som laddas in i lagret samlas överst och det kallare vattnet samlas i bottenpå grund av densitets skillnaderna mellan varmt och kallt vatten. Mellanlagret mellan det kalla och det varma vattnet kallas för termoklin. Detta fenomen har studerats sedan 1970-talet men många effekter är ännu inte klara hur effekter så som jetblandning och värmeförluster inverkar på stratifierings förfallet.
Målet med detta arbete var att undersöka hur dessa sammanhängande fenomen inverkar på varandra. Två olika alternativ undersöktes, det första var att använda sig av det ny uppstartade energilagret på Vasklot i Vasa. Det andra alternativet är att bygga en testbäddenkom för ändamålet i Technobothnia som är ett forsknings och utvecklingslaboratorium i Vasa som användsav stadens universitet.
I arbetet samlas parametrarna som behövs för forskningen av stratifierings förfallet i båda alternativen, också ett koncept för testbädden som består av ett småskaligt termiskt energilager. Konceptet innehåller kraven för processens utrustningsamt förslag på dimensioneringen av isoleringen samt diffusorns utformning.
Resultatet av arbetet visar att båda alternativen har för och nackdelar. Alternativet bestående av testbädden vid Technobothnia är mera mångsidigt men kräver också mera investeringar. Alternativet bestående av samlande av data från energilagret på Vasklot kräver inga större investeringar men eftersom lagret är i kommersiell användning så kan det vara frågan om sekretessbelagd information som behöver samlas.
Vidare forskning inom detta ämne kan vara den slutliga designen och utvecklingen av testbädden. Alternativet med energilagret på Vasklot kan vidareutvecklas genom att ta kontakt med företaget och diskutera hur mycket data kan göras tillgängligt för forskningsändamål, också analysen av data kan påbörjas.