A digital twin for the Empa High Temperature-Borehole Thermal Energy Storage (HT-BTES)

This master’s thesis aims to create a digital twin of the High Temperature-Borehole Thermal Energy Storage (HT-BTES) located at the Empa (german: Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt; english: Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology) campus, in Dubendorf, Switzerland. The digital twin is a numerical model, implemented through the Finite Element Method (FEM), that provides a computational tool for understanding the numerous degrees of freedom of the facility. The model couples all the physics arising at the site; the groundwater flow in variably saturated media with the heat transfer processes in porous media and in pipes (i.e. in the heat exchangers) are simulated. This study is aimed to match as accurately as possible the physical reality of the HT-BTES. Therefore, four slug tests have been performed at the HT-BTES site to assess the hydraulic conductivity K of the upper aquifer (see Chapter 3.2.2). The hydrogeological characterization of the site was completed with groundwater level measurements, for the hydraulic gradient assessment and its implementation in the numerical model (see Chapter 3.2.1). The entire activity would not be possible without the observation boreholes installed upstream and downstream of the HT-BTES for monitoring purposes. During their construction, non-destructive drillings techniques were used, allowing visual access to the stratigraphic profile. This visual information facilitated the model parameterization, aligning it with the observations of the cores. Through this information, a consistent simplification of the numerical model in a “two domains” one was possible (see Chapter 3.1). In Chapter 4, the results obtained with three different setups are shown, each progressively increasing the complexity of the digital twin. The first model, referred as “one Borehole Heat Exchanger (BHE)” model (see Chapter 4.1), shows how the heat exchanged by a single BHE is function of the water velocity within the Ground Heat Exchanger (GHE) and the water inlet temperature. Then the “Internal ring” model (see Chapter 4.2) considers the geometry of the inner ring composing the facility. Thus, the horizontal GHEs, connecting the BHEs to the heating and cooling system at Empa, impact on heat transfer is studied. Finally, a comprehensive “Digital twin” is presented showing the temperature field arising within the porous media due to the interaction of 144 BHEs (see Chapter 4.3).

Questa tesi magistrale propone un gemello digitale dell’High Temperature-Borehole Thermal Energy Storage (HT-BTES) che sorge nel campus dell'Empa (tedesco: Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt; italiano: Laboratorio federale svizzero di scienza e tecnologia dei materiali), a Dubendorf, in Svizzera. Il gemello digitale è un modello numerico, implementato con il metodo degli elementi finiti (FEM, dall’inglese Finite Element Method), che fornisce uno strumento di calcolo per testare i numerosi gradi di libertà dell'impianto. Il modello accoppia i processi fisici che si verificano nel sito, quali il flusso delle acque sotterranee in mezzi variabilmente saturi con i processi di trasmissione del calore nel mezzo poroso e nei tubi (ovvero negli scambiatori di calore). Lo studio si propone di corrispondere il più accuratamente possibile alla realtà fisica dell'HT-BTES. Pertanto, presso il sito dove l’HT-BTES si trova, sono stati eseguiti quattro slug test per valutare la conducibilità idraulica K dell'acquifero superiore (cfr. Capitolo 3.2.2). La caratterizzazione idrogeologica del sito è stata completata con la misurazione del livello della falda, per la valutazione del gradiente idraulico e l'implementazione dello stesso nel modello numerico (cfr. Capitolo 3.2.1). L'intera attività non sarebbe stata possibile senza i pozzi di monitoraggio installati a monte e a valle dell‘HT-BTES. Durante la loro realizzazione sono state utilizzate tecniche di perforazione non distruttive che hanno consentito l'accesso visivo al profilo stratigrafico. Tale informazione ha facilitato la parametrizzazione del modello, allineandolo con le osservazioni dei carotaggi. Grazie a queste informazioni, è stata possibile una semplificazione coerente del modello numerico in uno “a due domini” (cfr. Capitolo 3.1). Nel Capitolo 4 sono illustrati i risultati relativi a tre diversi modelli numerici, ognuno dei quali aumenta progressivamente la complessità del gemello digitale. Il primo, denominato “one Borehole Heat Exchanger (BHE)” (cfr. Capitolo 4.1), mostra come il calore scambiato da un singolo scambiatore vari in funzione dalla velocità e dalla temperatura di ingresso dell'acqua nei tubi. Il modello “Internal ring” (cfr. Capitolo 4.2) considera la geometria relativa all’anello più interno dell’impianto. Dunque, è studiato l’impatto degli scambiatori orizzontali, che collegano i BHEs al sistema di riscaldamento e raffreddamento dell'Empa, sullo scambio di calore. Infine, viene presentato un “Digital twin” che mostra il campo di temperatura che sorge nel mezzo poroso dall'interazione di 144 scambiatori (cfr. Capitolo 4.3).