Karaduvar (Mersin) akiferinin termal enerjidepolama kapasitesinin belirlenmesi
Determination of thermal energy storage capacity of Mersin (Karaduvar) aquifer
Yazar: NİHAN AYDIN ERTUĞRUL
Danışman: PROF. DR. ZÜBEYDE HATİPOĞLU BAĞCI
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering
Dizin: Sayısal modelleme = Numerical modelling

Özet:
Akifer termal enerji depolama (ATES) sistemleri, konut ve benzeri yapılarda iklimlendirme ihtiyacının giderilmesi için temiz ve yenilenebilir enerji alternatiflerinden birini oluşturmaktadır. ATES sistemlerinin tasarım sürecinde sayısal modelleme tekniğinden faydalanılarak yeraltı ısı depolama ortamlarının daha etkin kullanımı sağlanabilmektedir. ATES
sistemlerinin Türkiye'de kullanımı ve yaygınlaştırılabilmesine öncülük etmek amacıyla Mersin Karaduvar bölgesi kıyı akiferi seçilerek bu akiferde kurulabilecek potansiyel bir ATES ısı depolama sisteminin sayısal modellemesi yapılmıştır. Akifere yönelik bilgilerin elde edilebilmesi amacıyla 2018 ve 2019 yıllarında Karaduvar akiferinde yeraltısu seviyesi, sıcaklık, pH, elektriksel iletkenlik, çözünmüş oksijen, tuzluluk ve redoks potansiyeli ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Bölgenin hidrojeolojik özellikleri ve elde edilen veriler kullanılarak yeraltısuyu akım modeli oluşturulmuş ve bu model kararlı durum için çalıştırılmıştır. Potansiyel ATES sisteminde kullanılacak olan çekim ve enjeksiyon kuyu çifti arasındaki termal etkileşim süresini tahmin etmek ve termo-hidrolik model kalibrasyonu için bir yaklaşım oluşturmak
üzere yeraltısuyu akım modeli üç boyutlu sayısal ısı transferi modeli ile birleştirilmiştir. Isı depolama sisteminin mevsimsel işletimi sırasında kullanılması öngörülen sistem debisi, kuyu çifti arasındaki termal etkileşim yarıçap mesafesi ve kuyu çiftinin yeraltısuyu akım yönüne göre konumlandırılmasının termal verimlilik üzerindeki etkisi incelenmiştir. İki termal yarıçap veya daha fazla mesafede konumlandırılmış kuyu çifti için elde edilen termal geri kazanım oranı akiferin yüksek hidrolik eğim bölgesinde %40 civarındayken bir termal yarıçap mesafesinde konumlandırılmış kuyu çiftinde termal etkileşimler nedeniyle bu oran %17 seviyelerine düşmektedir. Aynı debi ile çalışan kuyu çiftinin akifer hidrolik eğiminin düşük olduğu bölgede bulunduğu durumda ise sistemin termal geri kazanım oranı %65 seviyesine yükselmiştir. Akım yönüne paralel olarak konumlandırılan kuyu çifti için hesaplanan termal kazanım oranının, kuyuların akım yönüne dik bir oryantasyonda bulunması durumundaki termal kazanım oranına kıyasla daha düşük gerçekleştiği ortaya konmuştur. Akiferin düşük ve yüksek hidrolik eğim gösteren iki farklı bölümü için gerçekleştirilen uzun dönem analizleri, akım hızı artışının, ATES sistemi termal kazanım performansını azalttığını göstermiştir. Çalışma kapsamında elde edilen sonuçlar, kıyı akiferlerinde kurulabilecek potansiyel ATES sistemlerinin daha gerçekçi ve verimli tasarımı için kullanılabilecektir.

Abstract:
Aquifer thermal energy storage systems (ATES) is considered as one of the clean and renewable energy alternatives to meet the air conditioning demands in residential and commercial buildings. By making use of numerical modeling technique in the design process of ATES systems, more effective utilization of underground heat storage medium can be achieved.
In order to pave the way for the use and dissemination of ATES systems in Turkey, numerical modeling of a potential ATES heat storage system installed at the coastal aquifer of Mersin Karaduvar region was carried out in this study. In order to gather information about the selected aquifer; groundwater level, temperature, pH, electrical conductivity, dissolved oxygen, salinity and redox potential measurements were carried out in the Karaduvar aquifer in years 2018 and 2019. Using the obtained input data, a one-year steady-state groundwater flow model of the coastal aquifer was established. The groundwater flow model is combined with three-dimensional heat transfer model to estimate the thermal interaction time between the extraction and injection well doublet of the ATES system and to constitute an approach for thermo-hydraulic model calibration. The effect of the system flow rate, thermal interaction radius distance between the well doublet and the orientation of the well doublet in respect to the groundwater flow direction on the thermal efficiency were investigated for the seasonal operation of the heat storage system. While the thermal recovery rate obtained for a typical well doublet located at two thermal radius distance or more is around 40% in the high hydraulic gradient region of the aquifer, this rate drops to 17% for the well doublet located at one thermal radius distance. The thermal recovery rate of the system increased to 65% for a similar well doublet located at the low hydraulic gradient region of the aquifer. It has been revealed that the thermal gain rate calculated for the doublet of wells positioned parallel to the
flow direction is lower than the thermal recovery rate when the wells are in a perpendicular orientation with respect to the flow direction. Long-term analyzes performed for two different sections of the aquifer with low and high hydraulic gradients showed that the increase in flow velocity reduces the thermal recovery performance of the ATES system. The results obtained within the scope of the study can be used for more realistic and efficient design of potential ATES systems that can be established in coastal aquifers.