Advantages and application of high-pressure electric-driven air compressors in thermal borehole drilling

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2024-06-10
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Systems and Markets
Mcode
ELEC3048
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Language
en
Pages
68
Series
Abstract
Globally, almost half of energy used by buildings is consumed by space heating, ventilation, and domestic hot water production. Energy efficient heat pumps offer one possible solution to decrease the consumption of these sectors. However, a major drawback is the large investment cost required. This is especially true for ground source heat pumps, which require expensive drilling. One large cost and source of emissions in drilling is the fuel used by diesel compressors. This thesis studies could a diesel compressor be replaced with an electric compressor to lower the investment costs and emissions produced. This thesis focuses on three research questions: 1. What advantages and disadvantages does an electrical compressor have, when compared to a diesel one, in thermal borehole drilling applications? 2. What operational requirements does an electrical compressor have? 3. Could an electric compressor be utilized in Helen Ltd.’s pilot project? The thesis is based on literature review, on personal communication with industry professionals, review and data of an implemented pilot project and consumption calculations of a simulated borehole field. An electric compressor was found to be more expensive than a diesel compressor. The cost of electricity used was less than half than the cost of diesel used, but the electric compressors high rent cost and the cost of installations made the overall price higher. An electric compressor produced significantly less emissions, less than 10% of those generated by a diesel compressor. An electric compressor requires a 1000 A 400 V feeding connection. Such large feeding connections are scarcely available, and probably require a medium voltage connection to be available. The requirement for existing medium voltage connections makes the electric compressor a good fit for larger industrial sites. An electric compressor could be used to drill two of three areas of Helen’s pilot project.

Maailmanlaajuisesti lähes puolet kiinteistöjen energiasta menee lämmitykseen, ilmanvaihtoon sekä käyttöveden lämmitykseen. Lämpöpumput tarjoavat yhden energiatehokkaan ratkaisun näiden kulujen vähentämiseen. Niiden yksi suuri rajoittava tekijä on kuitenkin suuret investointikustannukset, erityisesti maalämpöpumppujen porauskustannukset ovat merkittävä este. Yksi merkittävä kulu sekä päästöjen lähde on dieselkompressorin suuri polttoaineen porauksessa. Tämä diplomityö tutkii voisiko dieselkäyttöisen kompressorin korvata sähkökäyttöisellä kompressorilla, näin pienentäen investointikustannuksia ja vähentäen päästöjä. Diplomityö keskittyy kolmeen tutkimuskysymykseen: 1. Voisiko sähkökäyttöinen korkeapainekompressori tuoda rahallisia säästöjä tai vähentää porauksen päästöjä verrattuna dieselkäyttöiseen kompressoriin? 2. Minkälaisia sähkökytkentöjä sähkötoiminen kompressori vaatii? 3. Voisiko sähkötoimista kompressoria hyödyntää Helenin pilottihankkeessa? Tutkimus tehtiin kirjallisuuskatsauksena, hyödyntämällä alan ammattilaisten haastatteluja, tutkimalla toteutunutta pilottihanketta sekä laskemalla simuloidun maalämpökentän porauksen kulutusta. Sähkökäyttöinen kompressori osoittautui kalliimmaksi kuin dieselkäyttöinen kompressori. Sähkön hinta oli alle puolet käytetyn polttoaineen hinnasta, mutta sähkökäyttöisen kompressorin kalliimpi vuokra nosti sen kokonaishinnan dieseliä kalliimmaksi. Sähkökompressorin päästöt olivat paljon pienemmät, alle kymmenesosan dieselkompressorin päästöistä. Sähkökäyttöinen kompressori vaatii 1000 A 400 V syöttövirran. Näin suurta sähkökapasiteettia on huonosti saatavilla, ja vaatii todennäköisesti keskijänniteliittymän. Sähkökäyttöinen kompressori sopii hyvin suurempiin teollisiin kohteisiin sen vaatiman keskijänniteliittymän takia. Sähkökäyttöistä kompressoria voitaisiin hyödyntää Helenin pilottihankkeessa.
Description
Supervisor
Kosonen, Risto
Thesis advisor
Lindqvist, Timo
Hanski, Taru
Keywords
GSHP, ground source heat pump, geothermal heat, drilling, borehole, compressor
Other note
Citation