Tesis:
Impact of Aquifers on the Performance of Geothermal Boreholes for all Peclet Numbers
- Autor: RICO CABRERA, Javier
- Título: Impact of Aquifers on the Performance of Geothermal Boreholes for all Peclet Numbers
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO
- Departamentos: MECANICA DE FLUIDOS Y PROPULSIÓN AEROESPACIAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/81166/
- Director/a 1º: HERMANNS NAVARRO, Miguel
- Resumen: Energy plays an indispensable role in addressing nearly every challenge facing humanity today, with fighting climate change standing out as one of the most crucial ones. Hence, governmental and non-governmental institutions are promoting an energy transition to curtail greenhouse gas emissions, thereby combating the prevailing climate change crisis. This transition must be achieved without compromising the current level of human well-being, ensuring a continuous and cost-effective energy supply. In this scenario, the development of technologically and economically feasible energy storage solutions emerges as a crucial step toward successfully accomplishing the aforementioned energy transition.
Given that approximately 23% of mankind's final energy consumption is dedicated to heating and cooling buildings, the optimal and most efficient method for storing such a substantial amount of thermal energy is through direct thermal energy storage. Among existing technologies, borehole thermal energy storage (BTES) systems not only offer the highest potential energy savings but also stand out due to its versatility. For instance, surplus heat generated from an industrial process can be storage at temperatures ranging from 70C to 80C for direct use in heating the building in winter. Furthermore, there are feasible applications wherein the storage temperature is much closer to the unperturbed ground temperature. In these scenarios, the borehole field acts as a seasonal energy storage that along with a heat pump form a highly efficient heating, ventilation and air conditioning (HVAC) system.
The optimal design of these systems is critical. An excessively large size results in high initial investment costs and impractical payback periods. In contrast, an undersized system implies that, to meet the heating and cooling demands of the building, the heat-carrying liquid requires more extreme temperatures. This invariably results in a decrease in the overall efficiency of the HVAC system. The optimal design of the borehole field requires an accurate forecast of its thermal response over the whole lifespan of the building, of typically 100 years. Unfortunately, these forecasts cannot be obtained directly from detailed numerical simulations of the whole heat transfer problem as nowadays their computational cost makes them unfeasible for engineering purposes. Instead, simplified theoretical models are employed. Most of these theoretical models only take into account heat conduction in ground. However, in many real-world situations the presence of aquifers can highly affect the heat exchange between the boreholes and the ground.
This thesis exploits the presence of large disparities in time and length scales within the heat transfer problem to build simplified, albeit accurate, theoretical models that account for the presence of groundwater flows in the thermal response of geothermal boreholes. These models are rigorously derived mathematically using techniques commonly employed in aerospace engineering and fluid mechanics such as matched asymptotic expansion techniques. The main achievement of this thesis extends beyond enhancing the accuracy of existing models for creeping groundwater flows found in the literature, or the study of new scenarios involving strong groundwater flows. The presented theoretical models also serve to judge and clarify for the first time physical inconsistencies and mathematical-unjustified simplifications found in the state of the art.
RESUMEN
La energía juega un papel indispensable en abordar casi todos los desafíos que enfrenta la humanidad hoy en día, destacando la lucha contra el cambio climático como uno de los más cruciales. Por ende, instituciones gubernamentales y no gubernamentales están promoviendo una transición energética para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, combatiendo así la crisis climática actual. Esta transición debe lograrse sin comprometer el nivel actual de bienestar humano, asegurando un suministro continuo y rentable de energía. En este escenario, el desarrollo de soluciones de almacenamiento de energía tecnológica y económicamente factibles emerge como un paso crucial hacia el logro de la mencionada transición energética.
Dado que aproximadamente el 23% del consumo final de energía de la humanidad se dedica a calefacción y refrigeración de edificios, el método óptimo y más eficiente para almacenar tal cantidad de energía térmica es a través del almacenamiento directo de energía térmica. Entre las tecnologías existentes, los sistemas de almacenamiento de energía térmica en pozos (BTES, por sus siglas en inglés) no solo ofrecen el mayor potencial de ahorro de energía, sino que también se destacan por su versatilidad. Por ejemplo, el exceso de calor generado por un proceso industrial se puede almacenar a temperaturas que van desde 70C hasta 80C para su uso directo en la calefacción del edificio en invierno. Además, existen aplicaciones factibles en las que la temperatura de almacenamiento está mucho más cerca de la temperatura no alterada del suelo. En estos escenarios, el campo de pozos actúa como un almacenamiento de energía estacional que, junto con una bomba de calor, forma un sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) altamente eficiente.
El diseño óptimo de estos sistemas es fundamental. Un tamaño excesivamente grande resulta en costos iniciales de inversión elevados y períodos de retorno impracticables. Por el contrario, un sistema infradimensionado implica que, para satisfacer las demandas de calefacción y refrigeración del edificio, el líquido portador de calor requiere temperaturas más extremas. Esto inevitablemente conlleva una disminución en la eficiencia general del sistema HVAC. El diseño óptimo del campo de pozos requiere un pronóstico preciso de su respuesta térmica a lo largo de toda la vida útil del edificio, que suele ser de unos 100 años. Desafortunadamente, estos pronósticos no se pueden obtener directamente a partir de simulaciones numéricas detalladas de todo el problema de transferencia de calor, ya que en la actualidad su coste computacional los hace inadecuados para fines ingenieriles. En su lugar, se emplean modelos teóricos simplificados. La mayoría de estos modelos teóricos solo tienen en cuenta la conducción de calor en el suelo. Sin embargo, en muchas situaciones del mundo real, la presencia de acuíferos puede afectar considerablemente el intercambio de calor entre los pozos y el suelo.
Esta tesis explota la presencia de grandes disparidades en las escalas de tiempo y longitud dentro del problema de transferencia de calor para construir modelos teóricos simplificados, aunque precisos, que tengan en cuenta la presencia de flujos de aguas subterráneas en la respuesta térmica de los pozos geotérmicos. Estos modelos se derivan rigurosamente matemáticamente utilizando técnicas comúnmente empleadas en ingeniería aeroespacial y mecánica de fluidos, como el método de los desarrollos asintóticos acoplados. El logro principal de esta tesis se extiende más allá de mejorar la precisión de los modelos existentes para flujos de aguas subterráneas reptantes encontrados en la literatura, o el estudio de nuevos escenarios que involucran flujos de aguas subterráneas intensos. Los modelos teóricos presentados también sirven para juzgar y aclarar por primera vez inconsistencias físicas y simplificaciones matemáticas injustificadas encontradas en el estado del arte.