Numerical modelling of a high temperature borehole thermal energy storage system: Norway case study
全球变暖正在威胁地球上的生命。利用可再生能源被认为是减少人为二氧化碳排放的最有效措施。高温钻孔地热储能（BTES）系统在全球范围内有潜力减少能源消耗，提高废热的能源利用率，并提供高效的季节性热储存。BTES与太阳能的混合应用可实现净零排放。本研究评估了用于季节性热储存和回收的高温BTES（HT-BTES）。为此，使用CMG STARS模型对挪威现有的100口井BTES系统进行了模拟和验证。随后，该模型用于评估BTES的热性能和热回收效率。还进行了敏感性分析，以研究在不同操作条件下（如热载体流速、注入温度和注入周期）BTES中储存温度的动态变化。该案例研究的结果表明，模型预测的注入和采出期间的温度与现有的BTES系统非常吻合。在5年的运行中，注入BTES系统的热量中有35.5%被回收，而大量热量仍留在钻孔区域并散失到围岩中（64.5%）。BTES对流速、注入周期和注入温度非常敏感。在恒定的注入温度下，钻孔深度对BTES储存温度的影响最小。
CMG软件应用情况
在本研究中，使用了CMG STARS模拟器（版本2022.10）来模拟高温钻孔地热储能（HT-BTES）系统。CMG STARS是一款功能强大的数值模拟软件，能够模拟地下热传导过程，包括从注入水到岩石基质的热传导。研究中创建了一个三维（3D）模型，包含100口井（每口井深度为50至55米），模型尺寸为120米×120米×60米。为了提高模拟精度并避免数值扩散，在钻孔区域使用了高网格分辨率（1米）。主要输入参数包括孔隙度、渗透率、未扰动岩石温度、井数、井长、井间距、流速、注入温度和岩石热导率等。通过模拟，研究了地下属性、钻孔换热器深度、注入/采出周期时间和采出效率对整体热效率的影响。此外，还探讨了注入水温度的影响。
结论
本研究对挪威的一个大规模BTES（100口钻孔）进行了模拟，并通过光纤温度传感器在11口钻孔中测量的温度分布数据对模型进行了验证。研究得出以下结论：
- 模拟的温度与实测数据吻合良好。
- BTES储存温度在注入期间最高可达45°C，但在采出期间温度下降至32°C。
- 在5年的运行中，BTES系统中注入的热量中有35.5%被回收，而大量热量仍留在钻孔区域并散失到围岩中（64.5%）。
- BTES对流速、注入周期和注入温度非常敏感。在恒定的注入温度下，钻孔深度对BTES储存温度的影响最小。
作者单位
挪威斯塔万格大学能源与石油工程系
Abstract.
Global warming is threatening life on earth. Utilising renewable energy is considered as the most effective measure to minimise anthropogenic CO2 emissions. High-temperature borehole thermal energy storage (BTES) systems have a world-wide potential to reduce energy consumption, increase energy utilisation of waste heat and provide efficient seasonal heat storage. Hybrid application of BTES and solar energy leads to net zero emissions. In this study HT-BTES is evaluated for seasonal thermal heat storage and recovery. To this end, a CMG STARS model was built and validated using the existing 100-wells BTES system in Norway. Then, the model was used to evaluate BTES thermal performance and thermal recovery efficiency. Sensitivity analysis was also conducted to study the dynamics of storage temperature in the BTES under different operating conditions, such as heat carrier flow rate, injection temperature, and charging period. Results of this case study show that the model-predicted temperatures during charging and discharging are in good agreement with the existing BTES system. In 5 years of operation, 35.5% of the heat injected into the BTES system was recovered, while the significant heat remained in the borehole region and lost to surrounding rock (64.5%). BTES was found very sensitive to flow rate, the charging period and injection temperature. Borehole depth has a minimal effect on BTES storage temperature at constant studied injection temperature.
高温钻孔地热储能（BTES）
高温钻孔地热储能（HT-BTES）是一种利用地下岩土介质进行热能存储和提取的技术，以下是关于该技术的详细介绍：
基本原理
- 热能存储：在夏季或有余热时，通过钻孔内的循环流体（通常是水）将多余的热量从热源（如工业废热、太阳能集热器等）传递到地下岩土介质中，使地下岩土温度升高，从而将热能储存起来。
- 热能提取：在冬季或需要热能时，通过相同的钻孔系统将地下岩土中的热量提取出来，用于供暖或其他热需求。
系统组成
- 钻孔：钻孔是HT-BTES系统的核心部分，通常深度在150-300米之间。钻孔内安装有U形管或其他形式的换热器，用于流体与地下岩土之间的热交换。
- 流体循环系统：包括循环泵、管道和热交换器等，用于在钻孔和热源或热用户之间循环流体，实现热量的传递。
- 控制系统：用于监测和控制系统的运行，包括温度、流量、压力等参数的监测，以及循环泵的启停、流体流量的调节等。
优势
- 高效节能：能够有效利用工业余热、太阳能等可再生能源，减少能源浪费，降低对传统化石能源的依赖。
- 环境友好：减少了因燃烧化石燃料产生的温室气体排放，对环境更加友好。
- 灵活性高：既可以用于季节性储能，也可以用于短期或中期储能，能够满足不同的热能需求。
- 占地面积小：与一些其他储能方式相比，HT-BTES系统的钻孔占地面积相对较小，可以在建筑物、停车场等地下空间进行布置。
应用案例
- 瑞典Emmaboda工厂：该工厂的HT-BTES系统是世界上最大的工业余热存储系统之一，由140个150米深的钻孔组成，主要回收来自高温炉和铸造通风空气中的余热。在运行的第六年，该系统实现了最高的热量提取和效率（19%），分别注入和提取了约2200MWh和400MWh的热量。
- 伊斯坦布尔技术大学研究项目：针对北欧国家的供暖需求，提出了一种极高温度BTES系统（VHT-BTES），利用集中式太阳能收集器将热能储存到地下。
挑战与限制
- 热损失：在热能存储和提取过程中，可能会存在一定的热损失，导致储能效率降低。
- 地质条件影响：不同的地质条件（如岩土的热导率、孔隙度等）会对热能的存储和提取效果产生影响，需要在系统设计前进行详细的地质勘查。
- 初始投资成本高：钻孔施工、设备安装等需要较高的初始投资，尽管长期来看具有经济效益，但在项目初期可能会面临一定的资金压力。
- 热污染风险：如果系统设计不合理或运行不当，可能会导致地下岩土温度过高，对周边环境产生热污染。
