Short description
(German)
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Das Heizen mit fossilen Brennstoffen verursacht einen grossen Teil der weltweiten CO2-Emissionen. Geothermische Energie kann fossile Brennstoffe massiv ersetzen und zur Kühlung, Resilienz und Lastverschiebung beitragen. Hingegen sind Systemintegration und Skalierbarkeit derzeit begrenzt. Wir schlagen einen plattformbasierten, standardisierten und übertragbaren Ansatz vor, der alle Ebenen von der Untergrundanalyse bis hin zur Quartierplanung und der Potentialbewertung auf Stadtebene abdeckt. Die Entwicklung plattform-basierter Planungs- und Betriebskonzepte ist der Schlüssel zu einem günstigen, breiten und schnellen Einsatz erneuerbarer Technologien mit geothermischer und anderer CO2-freier Ressourcen. Wir werden eine Kombination aus Hochtemperatur-Erdsonden und PCM-Speicher entwickeln, um die Wirkung zu maximieren. Im Forschungscampus Dübendorf werden wir unsere Entwicklungen validieren. Die Ergebnisse werden in das plattform-basierte Konzept für den breiten Einsatz einfliessen.
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Short description
(English)
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The use of fossil fuels for heating causes a significant share of global CO2 emissions. Geothermal energy can significantly substitute fossil fuels and aid in district cooling, resilience, and load shifting. However, system integration and scalability are currently limited. Therefore, we propose a platform-based, standardized and transferable approach covering all scales from subsurface analysis to district design and city-scale potential assessment. The development of platform-based design and operation frameworks is key to the cost-effective, wide and rapid deployment of renewable technologies with optimal integration of geothermal energy and other carbon-free resources at all scales. Specifically for Switzerland, we will integrate high-temperature borehole storage in the energy hub of the Campus Dübendorf to maximize the impact. At this Forschungscampus, we will demonstrate and validate our framework and the new storage system. Results will be reincorporated into the framework for wide deployment and technology scaling.
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Short description
(French)
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Le chauffage à l'aide de combustibles fossiles est à l'origine d'une grande partie des émissions mondiales de CO2. L'énergie géothermique peut remplacer massivement les combustibles fossiles et contribuer au refroidissement, à la résilience et au déplacement de la charge. En revanche, l'intégration du système et l'évolutivité sont actuellement limitées. Nous proposons une approche basée sur une plateforme, standardisée et transférable, couvrant tous les niveaux, de l'analyse du sous-sol à la planification de quartier et à l'évaluation du potentiel au niveau de la ville. Le développement de concepts de planification et d'exploitation basés sur des plateformes est la clé d'un déploiement bon marché, large et rapide des technologies renouvelables utilisant la géothermie et d'autres ressources non émettrices de CO2. Nous développerons une combinaison de sondes géothermiques à haute température et de stockage PCM afin de maximiser l'impact. Nous validerons nos développements au campus de recherche de Dübendorf. Les résultats seront intégrés dans le concept basé sur une plateforme pour une utilisation à grande échelle.
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Publications / Results
(German)
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Das Hochtemperatur-Erdsondenfeld (HT-BTES) auf dem Empa-Campus in Dübendorf, Schweiz, ist ein innovatives Pilotprojekt, das darauf abzielt, Technologien zur geothermischen Energiespeicherung voranzutreiben. Das System, das in die Fernwärmenetze des Campus integriert ist, besteht aus 144 Erdsonden, die mit einer Vielzahl von Messsensoren ausgestattet sind, welche umfangreiche Daten zur Leistungsüberwachung liefern. Diese Sensoren sind entscheidend, um die betriebliche Effektivität des Systems zu bewerten und Erkenntnisse zu gewinnen, die zukünftige Geothermieprojekte in der Schweiz beeinflussen werden. Das Pilotprojekt ist auch von zentraler Bedeutung, um den plattformbasierten Designansatz (PBD) zu testen und zu validieren, der darauf abzielt, die Einführung von geothermischen Energiesystemen in der Schweiz zu vereinfachen und zu standardisieren. Das HT-BTES-System auf dem Empa-Campus dient als flexible experimentelle Plattform, auf der verschiedene numerische Modelle sowohl für Entwurfs- als auch für Steuerungszwecke getestet werden. Diese Modelle bewerten den Einfluss von Speicherkapazität, Wärmeübertragung, Temperatur- und Betriebseffizienz auf das System und optimieren gleichzeitig die Interaktionen zwischen dem HT-BTES und den Wärmepumpen sowie Kühlsystemen des Campus. Es werden auch steuerungsorientierte Modelle zur dynamischen Steuerung der Massenströme im BTES entwickelt und um die verschiedenen Durchflussvarianten der Einspeisung in die Erdsonden (z.B. in Serie oder parallel) zu optimieren. Eines der Hauptziele ist es, diese Modelle zu vereinfachen, ihre Komplexität zu reduzieren und dabei die Genauigkeit beizubehalten, um sie auf andere geothermische Energiesysteme in der Schweiz besser anwenden zu können. Die Umsetzung des HT-BTES-Systems stieß jedoch auf mehrere Herausforderungen. So wurde ein paralleles Projekt gestartet, um die Auswirkungen des HT-BTES auf den Untergrund zu untersuchen. Diese erforderte die Erfassung von Parametern aus dem thermisch ungestörten Erdreich, d.h. es mussten Messreihen durchgeführt werden, bevor man den Speicher ein erstes Mal geladen hat. Diese führte zu Verzögerungen bei der Inbetriebnahme. Darüber hinaus führte ein noch unbekannter Fehler während der Vorabtests zu einem Brandvorfall, bei dem Pumpen und Ventile beschädigt wurden. Dieser Unfall hat die Inbetriebnahme des Systems weiter verzögert, sodass die erste Betriebssaison nun voraussichtlich auf das 2. Quartal 2025 verschoben wird. Trotz diesen Herausforderungen hat das Pilotprojekt wertvolle Lehren und Erkenntnisse geliefert, insbesondere in der Aufbauphase. Diese Lehren, die in diesem Bericht detailliert beschrieben werden, werden entscheidend sein, um das Design und den Betrieb des HT-BTES-Systems zu verbessern und die PBD-Methodik weiter zu verfeinern.
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Publications / Results
(English)
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The High-Temperature Borehole Thermal Energy Storage (HT-BTES) system at the Empa campus in Dübendorf, Switzerland, represents an innovative pilot project aimed at advancing geothermal energy storage technologies. The system, integrated with the campus's district heating networks, consists of 144 boreholes equipped with a variety of measurement sensors that provide extensive data for performance monitoring. These sensors are crucial to assessing the system's operational effectiveness and for gathering insights that will inform future geothermal projects in Switzerland. The pilot is also key to testing and validating the platform-based design (PBD) approach, which is intended to simplify and standardize the adoption of geothermal energy systems in Switzerland. The HT-BTES system at the Empa campus serves as a flexible experimental platform where different numerical models will be tested for both design and control purposes. These models evaluate the influence of storage size, heat transfer, temperature, and operational efficiency on the system while also optimizing the interactions between the HT-BTES and the campus’s heat pumps and chillers. In addition to their design-oriented capabilities, control-oriented models have been developed to manage dynamic operational conditions, such as mass-flow rates and varying borehole layouts (in-series or in-parallel). One of the key goals is to streamline these models by reducing their complexity while retaining their accuracy, making them more applicable for broader adoption across other geothermal energy systems in Switzerland. However, the implementation of the HT-BTES system has encountered several challenges. A parallel project was initiated to study the effect of HT-BTES on the surrounding ground, which necessitated the gathering of baseline measurements from undisturbed soil. This requirement contributed to delays in commissioning. Furthermore, during preliminary testing, a component failure resulted in a fire incident, damaging pumps and valves. This accident has further postponed the system's commissioning, with the first operational season now delayed until Q2 2025. Despite these challenges, the pilot project has provided valuable lessons and insights, particularly in the commissioning phase. These lessons learned, detailed in this report, will be critical in improving the design and operation of the HT-BTES system and in refining the PBD methodology.
Related documents
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Publications / Results
(French)
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Le système de stockage d'énergie thermique par sondes géothermiques à haute température (HT-BTES) sur le campus de l'Empa à Dübendorf, en Suisse, représente un projet pilote innovant visant à faire progresser les technologies de stockage d'énergie géothermique. Le système, intégré aux réseaux de chauffage urbain du campus, se compose de 144 sondes équipées de divers capteurs de mesure qui fournissent des données étendues pour le suivi des performances. Ces capteurs sont essentiels pour évaluer l'efficacité opérationnelle du système et recueillir des informations qui guideront les futurs projets géothermiques en Suisse. Le projet pilote est également essentiel pour tester et valider l'approche de conception basée sur une plateforme (PBD), destinée à simplifier et à standardiser l'adoption des systèmes d'énergie géothermique en Suisse. Le système HT-BTES du campus de l'Empa sert de plateforme expérimentale flexible où différents modèles numériques seront testés à la fois pour la conception et pour le contrôle. Ces modèles évaluent l'influence de la taille du stockage, du transfert de chaleur, de la température et de l'efficacité opérationnelle sur le système, tout en optimisant les interactions entre le HT-BTES et les pompes à chaleur ainsi que les refroidisseurs du campus. En plus de leurs capacités axées sur la conception, des modèles orientés vers le contrôle ont été développés pour gérer des conditions opérationnelles dynamiques, telles que les débits massiques et les configurations de sondes (en série ou en parallèle). L'un des principaux objectifs est de simplifier ces modèles en réduisant leur complexité tout en conservant leur précision, afin de les rendre plus applicables à une adoption plus large dans d'autres systèmes géothermiques en Suisse. Cependant, la mise en oeuvre du système HT-BTES a rencontré plusieurs défis. Un projet parallèle a été lancé pour étudier l'effet du HT-BTES sur le sol environnant, ce qui a nécessité la collecte de mesures de référence dans un sol non perturbé. Cette exigence a contribué aux retards dans la mise en service. De plus, lors des tests préliminaires, une défaillance d'un composant a provoqué un incendie, endommageant des pompes et des vannes. Cet incident a encore retardé la mise en service du système, la première saison d'exploitation étant désormais reportée au deuxième trimestre 2025. Malgré ces défis, le projet pilote a fourni des enseignements et des informations précieuses, notamment au cours de la phase de mise en service. Ces leçons, détaillées dans ce rapport, seront essentielles pour améliorer la conception et le fonctionnement du système HT-BTES et pour affiner la méthodologie PBD.
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