This study explored the viability of utilising a cavern for hot water storage in Bålsta, Sweden, specifically to support the district heating system in this area. It particularly examined the potential integration of a thermal energy storage system with a district heating system in Bålsta, utilising an existing underground cavern previously used for oil storage. The project aimed to assess the possible annual storage duration, examine the efficiency of the thermal energy retention, and explore the system's impact on the district heating network in Bålsta.

Prior to delving into the specific technologies for heat storage, the research covered a general understanding of various thermal energy storage technologies and components of the district heating system in Sweden. Among the main findings from the literature review were the storage contribution to the district heating system principles, geological underground circumstances as well as heat cushion development.

The methodological approach of this research involved the use of numerical analysis and simulations performed through Comsol Multiphysics software. This software served as an efficient tool for numerical analysis by utilising the nonisothermal flow physics module along with a user built mesh. The system model had a system boundary geometry of a 500 metre sided cube of rock along with a 120 000 cubic metres cavern, which served as the water storage. Thereafter a transient study over the storage cycle each year was conducted with focus on the average temperature of the water.

The thermal energy storage was shown to be able to provide the district heating system of Bålsta with a significant heating capacity during the winter. Moreover it was observed that the duration that heat can be stored each annual cycle was extended each year, from 169 days to 242 days over a decade. It was obtained within the results that the heat contribution from the cavern thermal energy storage to the district heating system increased from barely 22% to 31% of the total heating demand during the coldest weeks in the Bålsta region, over a ten-year period. These increases are due to the heated up bedrock, creating a heat cushion phenomenon.

After presenting the simulation results, the implications were critically analysed from both theoretical and numerical perspectives. This comprehensive discussion, along with a minimalistic sensitivity analysis of the bedrock thermal conductivity, revealed that the storage remained usable even under high thermal conductivity conditions. However, heat losses varied over time depending on the rock type composition. Conclusions were drawn and recommendations for future work were made, including a rigorous and entirely transient simulation of each of the storage cycle’s phases as well as a geological study of the area.

Denna studie undersökte möjligheten att använda ett bergrum för varmvattenlagring i Bålsta, Sverige, specifikt för att stödja fjärrvärmesystemet i detta område. Studien undersökte specifikt sammankopplingen av fjärrvärmesystemet i Bålsta med ett värmelager, genom att använda ett befintligt underjordiskt bergrum som tidigare använts för oljelagring. Projektet syftade till att bedöma den möjliga årliga lagringsperioden, undersöka lagrets förmåga att förvara varmvatten samt utforska dess påverkan på fjärrvärmenätet i Bålsta.

Utöver de för studien specifika teknikerna för värmelagring redogjordes även för en allmän förståelse för olika tekniker inom termisk energilagring och komponenter i fjärrvärmenät i Sverige. Bland de viktigaste fynden från litteraturöversikten var principerna för lagringens bidrag till fjärrvärmesystemet, geologiska förhållanden samt utvecklingen av värmekudde.

Metodiken involverade användningen av numerisk analys och simuleringar utförda med hjälp av mjukvaran Comsol Multiphysics. Denna mjukvara tjänade som ett effektivt verktyg för numerisk analys genom att använda den icke-isoterma flödesfysikmodulen tillsammans med ett användarbyggt nodnät. Systemmodellen hade en geometri av en stenkub med längden 500 meter tillsammans med ett 120 000 kubikmeter stort insprängt hålrum, som användes för vattenlagring. En transient studie över den årliga lagringscykeln genomfördes med fokus på vattnets genomsnittliga temperatur.

Den termiska energilagringen visade sig kunna förse fjärrvärmesystemet i Bålsta med ett betydande värmetillskott under vintern. Dessutom observerades att tidshorisonten för vilken värme kan lagras säsongsmässigt förlängdes för varje år, från 169 dagar till 242 dagar över ett decennium. Det framkom i resultaten att värmebidraget från det termiska energilagret till fjärrvärmesystemet ökade från knappt 22% till 31% av det totala värmebehovet under de kallaste veckorna i Bålstaregionen, över en tioårsperiod. Dessa ökningar beror av det uppvärmda berget, som skapar ett isolerande skikt runt bergrummet.

Efter att ha presenterat simuleringsresultaten analyserades implikationerna kritiskt från både teoretiska och numeriska perspektiv. Denna diskussion, tillsammans med en mindre känslighetsanalys av berggrundens värmeledningsförmåga, visade att lagret förblev användbart även under förhållanden med hög termisk ledningsförmåga. Däremot varierade värmeförlusterna över tid beroende på bergartens sammansättning. Slutsatser drogs och rekommendationer för framtida arbeten gavs, inkluderandes en rigorös och fullständigt transient simulering av varje fas i lagringscykeln samt en geologisk studie av området.