High-temperature heat pumps for enhancing borehole thermal energy storage integration in district heating grids

District heating and heat pumps have been identified as key solutions for decarbonizing the heating and cooling sector, essential to achieve the climate goal of maintaining the global average temperature increase below 1.5 °C by 2050. Sweden is at the forefront in this effort, boasting the highest installed renewable energy share across European countries. Various solutions are being explored to tackle the challenges of complete decarbonization in the heating and cooling sectors. In this context, Göteborg Energi, the district heating operator of Gothenburg, is exploring the feasibility of constructing a pilot borehole thermal energy storage (BTES) system. The objective is to understand the strategic role that such infrastructure could play within the district heating network. The company has developed a preliminary simulation of this storage system, encountering challenges primarily related to the temperature obtained at the outlet in both charging and discharging phases. The aim of this thesis is to develop a steady-state heat pump model capable of characterizing heat pump performance in different conditions at the evaporator and condenser. Throughout the modeling process, the most suitable approach for achieving a robust model with low computational time requirements is identified. This model was subsequently integrated into the borehole thermal energy storage model to simulate the behavior of the overall system. Four different heat pump integration possibilities have been simulated to understand which one could better improve the integration of the storage in the district heating network. The results of this work indicate that, while some integration challenges remain regarding the high temperature at the outlet of the storage during the charging phase, the heat pump could better integrate the storage in the current district heating network, providing temperatures in line with a 3$^{rd}$ generation district heating.

Il teleriscaldamento e le pompe di calore sono stati identificati come soluzioni chiave per decarbonizzare il settore del riscaldamento e del raffreddamento, essenziale per raggiungere l'obiettivo climatico di mantenere l'aumento della temperatura media globale al di sotto di 1,5 °C entro il 2050. La Svezia è all'avanguardia in questo sforzo, vantando la più alta quota di energia rinnovabile installata tra i paesi europei. Diverse soluzioni sono attualmente nella fase di studio per affrontare le sfide della completa decarbonizzazione del settore. In questo contesto, Göteborg Energi, l'operatore della rete di teleriscaldamento di Göteborg, sta conducendo uno studio di fattibilità sulla costruzione di un sistema pilota di accumulto termico nel terreno (borehole thermal energy storage). L'obiettivo è comprendere il ruolo strategico che questo sistema potrebbe giocare all'interno della rete di teleriscaldamento. L'azienda ha sviluppato una simulazione preliminare di questo sistema, incontrando principalmente sfide legate all'impatto delle temperature in uscita dall'accumulo durante entrambe le fasi di carica e scarica. Lo scopo di questa tesi è sviluppare un modello di pompa di calore in stato stazionario capace di caratterizzarne il comportamento per diverse condizioni all'evaporatore e al condensatore. Durante il processo di modellazione è stato identificato l'approccio più adatto per ottenere un modello robusto e veloce. Questo modello è stato successivamente integrato nel modello di accumulo termico per simulare il comportamento dell'intero sistema. Sono state simulate quattro diverse integrazioni della pompa di calore per comprendere quale potrebbe migliorare maggiormente l'integrazione dell'accumulo nella rete di teleriscaldamento. I risultati di questo lavoro indicano che, sebbene rimangano alcune sfide di integrazione riguardanti le alte temperature all'uscita dell'accumulo durante la fase di carica, la pompa di calore può migliorare l'integrazione dell'accumulo fornendo temperature in linea con un teleriscaldamento di terza generazione.