Novel Wireless Sensor System for Dynamic Characterization of Borehole Heat Exchangers

The design and field test of a novel sensor system based in autonomous wireless sensors to measure the temperature of the heat transfer fluid along a borehole heat exchanger (BHE) is presented. The system, by means of two specials valves, inserts and extracts miniaturized wireless sensors inside the pipes of the borehole, which are carried by the thermal fluid. Each sensor is embedded in a small sphere of just 25 mm diameter and 8 gr weight, containing a transceiver, a microcontroller, a temperature sensor and a power supply. A wireless data processing unit transmits to the sensors the acquisition configuration before the measurements, and also downloads the temperature data measured by the sensor along its way through the BHE U-tube. This sensor system is intended to improve the conventional thermal response test (TRT) and it allows the collection of information about the thermal characteristics of the geological structure of subsurface and its influence in borehole thermal behaviour, which in turn, facilitates the implementation of TRTs in a more cost-effective and reliable way

Techno-economic feasibility analysis of low-temperature geothermal heating and cooling

Machbarkeitsanalysen in der frühen Phase der Projektentwicklung sind entscheidend für einen reibungslosen Planungsprozess und tragen maßgeblich zu einer erfolgreichen Umsetzung von oberflächennahen geothermischen (ONG) Systemen zur Wärme- und Kälteversorgung bei. Obwohl die Versorgungssicherheit und Betriebseffizienz der ONG hinreichend demonstriert ist, wird eine weite Marktverbreitung noch immer durch hohe Anfangsinvestitionen, standortspezifische und komplexe Planungsverfahren sowie konventionelle Technologien, die sich meist durch einfachere Planung und Nutzung auszeichnen, erschwert. Daher sind umfassende Machbarkeitsanalysen, die sowohl wirtschaftliche als auch technische Aspekte berücksichtigen, nicht nur entscheidend, um eine schnelle Projektentwicklung zu ermöglichen, sondern auch, um Kunden und Entscheidungsträgern die wirtschaftlichen Vorteile und technischen Möglichkeiten aufzuzeigen. Trotz der erfolgreichen Umsetzung einiger Best-Practice-Beispiele der ONG für die Versorgung großer industrieller, gewerblicher oder öffentlicher Einrichtungen fehlt es an Wissenstransfer hinsichtlich koordinierter Standortcharakterisierung und erfolgreicher Projektentwicklung. Darüber hinaus ist nur wenig über den tatsächlichen Wärme- und Kältebedarf von Gebäuden und die damit verbundenen Versorgungskosten bekannt, was nicht nur den Nachweis der wirtschaftlichen Vorteile von ONG-Systemen erschwert, sondern auch den gesamten Projekterfolg gefährdet. Um diesen Unzulänglichkeiten zu begegnen und den erforderlichen Umfang einer ganzheitlichen und fundierten technisch-wirtschaftlichen Machbarkeitsanalyse (TWM) großer ONG-Systeme aufzuzeigen, werden in dieser Arbeit einzelne Stufen der TWM an ausgewählten Standorten mit vier verschiedenen Ansätzen analysiert. In Studie 1 wird ein einfacher Ansatz zur Ermittlung des Kühlbedarfs von Gebäuden vorgestellt, indem die installierten Kühlleistungen von Kompressionskältemaschinen anhand von Luftbildern quantifiziert werden. Dies wird am Campus Nord des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) unter Berücksichtigung von 36 luftgekühlten Kältemaschinen mit einer installierten Gesamtkühlleistung von 16 MW demonstriert. Mit zunehmender Leistung werden verbesserte Genauigkeiten von bis zu 85 % erzielt, was auf eine bessere Eignung der Methodik für Großanlagen hinweist. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse von Studie 1 wird in Studie 2 die aktuelle Kälteversorgung am Campus Nord weiter analysiert und der Kältebedarf von 23 Campusgebäuden sowie die damit verbundenen Versorgungskosten untersucht. Diese Studie wird im Hinblick auf den beabsichtigten Übergang von der aktuellen dezentralen Kälteversorgung mittels Kältemaschinen zu einem zukunftsfähigen Kältenetz, das durch erneuerbare Kältequellen gespeist werden soll, durchgeführt. Da die erhaltenen Parameter mit Unsicherheiten behaftet sind, wird eine Monte Carlo Simulation durchgeführt, die Kühlkosten zwischen 5,4 und 11,4 Eurocent pro kWh offenbart. Die kumulierten jährlichen Kosten aller betrachteten Gebäude, die hauptsächlich aus den Stromkosten für den Betrieb der Kältemaschinen resultieren, liegen bei 4,5 Mio. € und fordern einen schnellen Umstieg zu einer dezentralen und effizienteren Kälteversorgung durch die Integration von erneuerbaren Kälteversorgungslösungen. Die ganzheitliche Analyse der aktuellen Kälteversorgung erleichtert die Diskussion über weitere Optimierungsmaßnahmen und ermöglicht ein Benchmarking mit anderen Universitäten und Einrichtungen, in denen Kältenetze bereits erfolgreich betrieben werden. Studie 3 analysiert die Wirtschaftlichkeit der ONG unter Berücksichtigung der Investitions- und Betriebskosten am Beispiel eines potenziellen Aquiferspeichers (ATES) zur Wärme- und Kälteversorgung eines spezifischen Gebäudes des Städtischen Klinikums in Karlsruhe, Deutschland. Die ermittelten Investitionskosten beziffern sich auf 1,3 Mio. €, wobei die unterirdischen Installationen mit 60 % den größten Kostenanteil ausmachen. Eine Kosten-Nutzen-Analyse zwischen dem betrachteten ATES und der aktuellen Versorgungstechnologie bestehend aus Kompressionskältemaschinen und Fernwärme zeigt eine Amortisationszeit des ATES-Systems von ca. 3 Jahren. Die effizienteste aller Versorgungsoptionen ist die direkte Kühlung des Gebäudes mittels ATES, was zu einer Stromkostenreduktion von 80 % führt. Darüber hinaus ermöglicht das ATES-System eine CO2-Einsparung von ca. 600 Tonnen pro Jahr, wodurch die potentiellen wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile der Technologie verdeutlicht werden. Diese Analyse adressiert das fehlende Bewusstsein für ATES im Allgemeinen und das damit verbundene wirtschaftliche Potenzial im Besonderen, um die ATES Nutzung speziell in Deutschland zu fördern, wo die Technologie den Wärmemarkt bislang noch nicht durchdrungen hat. Da die Verlässlichkeit von gemessenen Untergrundparametern während der Erkundungsphase sich auf die Auslegung und Wirtschaftlichkeit eines ONG-Systems auswirkt, wird in Studie 4 eine ganzheitliche Analyse von Fehlern und Unsicherheiten im Zusammenhang mit kabellos durchgeführten Temperaturmessung vorgenommen. Die auftretenden Fehler werden im Labor ermittelt und anschließend auf vertikale Profile der ungestörten Untergrundtemperatur übertragen, die an einer Erdwärmesonde aufgenommen wurden. Die ermittelte Präzision von 0.011 K und Genauigkeit von -0.11 K gewährleisten eine hohe Zuverlässigkeit der Messungen. Die größte Unsicherheit ergibt sich innerhalb der ersten fünf Meter und resultiert aus der thermischen Zeitkonstante von 4 s. Das schnelle und komfortable Messverfahren führt zu Vorteilen gegenüber herkömmlichen Glasfasermessungen, deren aufgezeichnete Temperaturprofile am Standort als qualitativer Vergleich dienen. Diese Studie soll das Bewusstsein für die Bedeutung einer detaillierten Exploration als Teil einer ganzheitlichen Machbarkeitsanalyse von SGE im Allgemeinen schärfen und speziell zur Weiterentwicklung der kabellosen Messtechnik beitragen

Novel method and instruments for the optimal techno-economic sizing of borehole heat exchangers

El test de respuesta térmica (TRT) es ampliamente utilizado como método estándar para caracterizar las propiedades térmicas del terreno adyacente a un intercambiador de calor enterrado (BHE). Los métodos tradicionales para interpretar los resultados aplican soluciones analíticas o numéricas asumiendo que el terreno es infinito, homogéneo e isotrópico. Sin embargo, en realidad el subsuelo presenta generalmente una estructura estratificada y heterogénea, y por lo tanto las propiedades térmicas pueden variar sustancialmente con la profundidad. En este sentido y con la intención de resolver las limitaciones del TRT estándar, la presente tesis doctoral se centra en el desarrollo de métodos e instrumentos para cuantificar las propiedades de transferencia de calor de las capas geológicas alrededor de un BHE. Información que resulta imprescindible para alcanzar la máxima eficiencia energética y el dimensionado técnico-económico óptimo de un BHE. En particular, se propone un nuevo método de TRT, llamado observer pipe TRT (OP-TRT), basado en una medición de temperatura adicional a lo largo de una tubería auxiliar. En las últimas décadas, varios investigadores han desarrollado TRT distribuidos (DTRT) en los cuales se realizan mediciones de temperatura a lo largo del tubo-U en el que se inyecta calor. No obstante, a partir de las investigaciones llevadas a cabo en esta tesis, el tubo observador ha demostrado amplificar los efectos térmicos producidos debido a capas geológicas con propiedades termo-físicas diferentes, requiriéndose así sensores menos precisos para obtener resultados más detallados. En base a este logro, se ha desarrollado un modelo numérico de simulación inversa para parametrizar la conductividad térmica de las capas geológicas a partir de las mediciones a lo largo del tubo observador. Básicamente, el modelo ajusta la conductividad térmica de las capas geológicas hasta que los resultados de la simulación coinciden con el perfil de temperatura experimental a lo largo del tubo observador. El modelo ha sido desarrollado con un algoritmo de estimación de parámetros para un ajuste automático y obtención de resultados más precisos. Otra ventaja es que este método solo requiere dos perfiles de temperatura: (1) subsuelo en reposo (antes del TRT) y (2) al final del TRT (antes de detener la inyección de calor). Con la intención de continuar investigando el método propuesto a partir de datos de mayor calidad, se ha desarrollado un instrumento específico (Geowire) para medir de forma automática y con mayor precisión los perfiles de profundidad-temperatura requeridos. El diseño del Geowire también ha sido orientado para cubrir otros requisitos, como compatibilidad con equipos de TRT y operación intuitiva. Además, se ha desarrollado una versión mejorada de una sonda de temperatura (Geoball) que es arrastrada por el fluido que circula en las tuberías a la vez que calcula su posición, con la ventaja de que puede ser utilizada en tuberías con disposición vertical y horizontal. Después de las pruebas de validación en el laboratorio, las características fundamentales de ambos instrumentos han sido evaluadas en comparación con otros instrumentos novedosos y estándar para mediciones de temperatura distribuidas durante un experimento en un BHE de pruebas. La ventaja principal de los instrumentos propuestos sobre la popular fibra óptica es que miden la temperatura instantáneamente (para intervalos temporales precisos). Asimismo, no necesitan de una calibración dinámica para obtener resultados precisos mientras que proporcionan una mayor resolución espacial y de temperatura: Geowire (0.5 mm, 0.06 K) y Geoball (10 mm, 0.05 K). Además, son más fáciles de integrar en pozos existentes y son una solución potencialmente más rentable para medir la temperatura distribuida. Finalmente, se demuestran los beneficios del método e instrumentos propuestos durante un DTRT en comparación con la fibra óptica y con un programa basado en el modelo de línea infinita para estimar la conductividad térmica distribuida. Los resultados del modelo propuesto revelaron una zona altamente conductiva al usar los datos del Geowire, mientras que esta zona no fue detectada al procesar los datos de fibra óptica.The thermal response test (TRT) is widely used as a standard test to characterize the thermal properties of the ground near a borehole heat exchanger (BHE). Typical methods to interpret the results apply analytical or numerical solutions which assume that the ground is infinite, homogeneous and isotropic. However, in reality the underground is commonly stratified and heterogeneous, and therefore thermal properties may significantly vary with depth. In this sense and with the intention to overcome standard TRT limitations, this Ph.D. study is focused on developing methods and instruments for the evaluation of the heat transfer behavior of the geological layers surrounding a BHE. This information is key for the optimal energy efficiency and techno-economic sizing of BHE. In particular, a novel TRT method, called observer pipe TRT (OP-TRT), is proposed based on an additional temperature measurement along an auxiliary pipe. In the last decades, some researchers developed the so-called distributed TRT (DTRT) by measuring the temperature along the length of the heated U-pipe. However, from the studies carried out in this Ph.D. work, the observer pipe demonstrated to amplify the thermal effects produced due to geological layers with different thermo-physical properties, hence requiring less accurate sensors for obtaining more detailed results. Based on this achievement, an inverse numerical solution was developed to parametrize thermal conductivity of geological layers from the measurements along the observer pipe. Basically, the model adjusts thermal conductivity of the geological layers until simulation results fit experimental temperature profile along the observer pipe. The model was developed with a parameter estimation solver for an automatic fitting and more accurate results. Another advantage is that this method only requires two temperature profiles: (1) undisturbed ground (before the TRT) and (2) at the end of the TRT (before stopping the heat injection). In order to further investigate the proposed method by using higher quality data, a specific instrument (Geowire) was developed to automatically measure the required depth-temperature profiles with high accuracy. The design of the Geowire also coveredother features, such as compatibility with TRT equipment and intuitive operation. In addition, an enhanced version of a flowing probe (Geoball) was developed, suitable for both vertical and horizontal pipe arrangements. After laboratory validation tests, the key features of both instruments were evaluated in comparison with new and standard in-borehole instruments for temperature measurements in a test BHE. The main advantage of the proposed instruments over the widespread fiber optics is that they measure the temperature instantaneously (for precise time instants). Moreover, they do not require a dynamic calibration for accurate results while providing higher spatial and temperature resolutions: Geowire (0.5 mm, 0.06 K) and Geoball (10 mm, 0.05 K). Also, they are easier to integrate in existing boreholes and are a potentially more cost-effective solution to measure the distribute temperature. Finally, the benefits of the proposed method and instruments are demonstrated throughout a DTRT in comparison with fiber optics and with a computer program based on the infinite line source model to estimate the distributed thermal conductivity. The results from the proposed model revealed a highly conductive zone when using data from the Geowire, whereas this was not the case when data from fiber optics were processed

A Case Study of Thermal Evolution in the Vicinity of Geothermal Probes Following a Distributed TRT Method

[EN] To meet the stated climate change targets and to ensure the capability of meeting the current and future energy demands, there is an urgent need to develop renewable energy sources, such as geothermal systems. If geothermal systems are to be cost-efficient and are to enjoy public confidence, it is essential that they are designed and installed in accordance with the prevailing site-specific conditions. A thorough understanding of the thermal behaviour of the surrounding ground is, therefore, critical. In this work, we investigated temperature and its evolution in the vicinity of a shallow geothermal helix-shaped borehole heat exchanger (BHE). To measure the temperature close to the actual geothermal system, an additional U-tube probe was installed at the edge of the same borehole. A thermal load was then applied to the BHE, and the temperature was detected in the nearby U-tube. The temperature measurements were made with a GEOSniff monitoring device. To understand these localised temperature measurements in the context of the Valencia test site, ERT measurements were also performed. The GEOSniff device permits measurements to be made with very high depth resolution, which allows the thermal properties of the surrounding ground to be derived precisely, thus, enabling the identification of the different textural domains.This research work has been supported financially by the European Cheap-GSHPs Project (funded by the European Union's Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement No 657982) and by the European GEO4CIVHIC Project (funded by the European Union's Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement No 792355).Schwarz, H.; Badenes Badenes, B.; Wagner, J.; Cuevas, JM.; Urchueguía Schölzel, JF.; Bertermann, D. (2021). A Case Study of Thermal Evolution in the Vicinity of Geothermal Probes Following a Distributed TRT Method. Energies. 14(9):1-17. https://doi.org/10.3390/en14092632S11714

Long-range Radio for Underground Sensors in Geothermal Energy Systems

The paper presents the design of a temperature monitoring system in a very harsh environment, such as Shallow Geothermal Systems (SGS), where the information of underground temperature is necessary to assess the thermal potential of the soil, for maximizing the efficiency of the SGS. The challenge is to get information at different depths (sometimes up to - 100m), to transmit data wirelessly in rural areas where conventional wireless connections (e.g. WiFi, GSM) are not guaranteed and energy availability poses severe limits. Our design exploits a recent new modulation protocol developed for long-range transmission, at the minimum energy cost, and a two-tier hardware architecture for measuring underground temperature. Aggressive duty cycling permits to achieve lifetime of several years. Experimental results demonstrate the utility of such a system during the design and the operational activity of a SGS

New methods to spatially extend thermal response test assessments

Thermal response tests (TRTs), used to evaluate the subsurface thermal conductivity when designing ground source heat pump systems, are spatially limited to the vicinity of the borehole where a test is carried out. The subsurface is heterogeneous and the thermal conductivity assessment provided by a TRT is likely to vary beyond the tested borehole. New methods have, therefore, been developed to extend subsurface assessments at the building site and the urban district scales. The first method relies on temperature profiles measured at equilibrium in ground heat exchangers that are reproduced with inverse numerical simulations to infer the terrestrial heat flow and the subsurface thermal conductivity beyond a first TRT. Inversion of temperature profiles was verified at a pilot site in the Appalachians where TRTs had been performed and showed a thermal conductivity estimate within less than 10 % for both approaches. The second method is based on geostatistical simulations to map the distribution of the subsurface thermal conductivity in areas where several ground source heat pump installations are anticipated. A first mapping exercise was achieved to the north of Montreal in the St. Lawrence Lowlands with fours TRTs and ten laboratory measurements interpolated with sequential Gaussian simulations

Caratterizzazione dei parametri di un reservoir geotermico tramite la risoluzione del problema inverso e le simulazioni geostatistiche

BTES (borehole thermal energy storage)systems exchange thermal energy by conduction with the surrounding ground through borehole materials. The spatial variability of the geological properties and the space-time variability of hydrogeological conditions affect the real power rate of heat exchangers and, consequently, the amount of energy extracted from / injected into the ground. For this reason, it is not an easy task to identify the underground thermal properties to use when designing. At the current state of technology, Thermal Response Test (TRT) is the in situ test for the characterization of ground thermal properties with the higher degree of accuracy, but it doesn’t fully solve the problem of characterizing the thermal properties of a shallow geothermal reservoir, simply because it characterizes only the neighborhood of the heat exchanger at hand and only for the test duration. Different analytical and numerical models exist for the characterization of shallow geothermal reservoir, but they are still inadequate and not exhaustive: more sophisticated models must be taken into account and a geostatistical approach is needed to tackle natural variability and estimates uncertainty. The approach adopted for reservoir characterization is the “inverse problem”, typical of oil&gas field analysis. Similarly, we create different realizations of thermal properties by direct sequential simulation and we find the best one fitting real production data (fluid temperature along time). The software used to develop heat production simulation is FEFLOW 5.4 (Finite Element subsurface FLOW system). A geostatistical reservoir model has been set up based on literature thermal properties data and spatial variability hypotheses, and a real TRT has been tested. Then we analyzed and used as well two other codes (SA-Geotherm and FV-Geotherm) which are two implementation of the same numerical model of FEFLOW (Al-Khoury model)