Integrated Combined Heat and Power Plant with Borehole Thermal Energy Storage

Countries like Sweden, that experience temperatures below 0 C, have a high heating demand during winters. The heating demand in Sweden is satisfied through district heating, electric heating, heat pumps and biofuel boilers. The fossil fuels account for around 5 % of the heating market. Sweden is currently looking for alternative solutions in order to replace the fossil fuels. One of the solutions being studied is to have a Borehole Thermal Energy Storage (BTES) system that can store the excess heat produced from a Combined Heat and Power (CHP) plant during the summer. In previous studies, a dynamic model of BTES system was developed which was limited for a specific case. In order to design the BTES systems for different cases as well, a generic steady-state sizing model was developed. This generic steady-state sizing model is flexible can be used to determine the size of BTES in terms of number of boreholes, borehole depth, etc. as per the requirements of the user. Few key results for different input parameters from the newly developed steady-state sizing model and the existing dynamic model were compared for several simulations in order to validate the new steady-state model. The results for a reference case of 240 m borehole depth and 0.8 kg/s mass flow rate in the borehole loop were presented. Further a sensitivity analysis was done by varying the borehole depth and the mass flow rate in the borehole loop. It showed that the Net Present Value (NPV) of the entire system after 20 years and BTES efficiency were higher for lower borehole depth and higher mass flow rate in the borehole loop.Länder som Sverige, som upplever temperaturer under 0 C, har ett högt värmebehov under vintrarna. Värmebehovet i Sverige tillgodoses genom fjärrvärme, elvärme, värmepumpar och pannor eldade med biobränsle. Fossila bränslen står för cirka 5 % av värmemarknaden. Sverige letar för närvarande efter alternativa lösningar för att ersätta de fossila bränslena. En av lösningarna som studeras är att ha värmelagring i borrhål (Borehole Thermal Energy Storage, BTES) som kan lagra överskottsvärmen som produceras från en kraftvärmeanläggning under sommaren. I tidigare studier utvecklades en dynamisk modell av ett BTES-system som var begränsat till ett specifikt fall. För att utforma BTES-system även för andra fall, utvecklades en generisk modell. Denna generiska dimensioneringsmodell för stabiliseringsstatus är flexibel och kan användas för att bestämma storleken på BTES när det gäller antalet borrhål, borrhålsdjup etc. enligt användarens krav. Några nyckelresultat för olika ingångsparametrar från den nyutvecklade statiska dimensioneringsmodellen och den befintliga dynamiska modellen jämfördes för flera simuleringar för att validera den nya statiska modellen. Resultaten för ett referensfall på 240 m borrhålsdjup och 0,8 kg/s massflödeshastighet i borrhålslingan presenterades. Dessutom utfördes en känslighetsanalys genom att variera borrhålens djup och massflödeshastigheten i borrhålslingan. Det visade sig att både nettonuvärdet (net present value, NPV) för hela systemet efter 20 år och BTES-effektiviteten var högre för lägre borrhåldjup och högre massflödeshastighet i borrhålsslingan