Park, Dohyun;Kim, Hyunwoo;Park, Jung-Wook;Park, Eui-Seob;Sunwoo, Choon
Tunnel and Underground Space
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v.24
no.2
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pp.155-165
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2014
Multiple thermal energy storage (TES) caverns can be used for storing thermal energy on a large scale and for a high-aspect-ratio heat storage design to provide good thermal performance. It may also be necessary to consider the use of multiple caverns with a reduced length when a single, long tunnel-shaped cavern is not suitable for connection to aboveground heat production and injection equipments. When using multiple TES caverns, the separation distance between the caverns is one of the significant factors that should be considered in the design of storage space, and the optimal separation distance should be determined based on a quantitative stability criterion. In this paper, we described a numerical approach for determining the optimal separation distance between multiple caverns for large-scale TES utilization. For reliable stability evaluation of multiple caverns, we employed a probabilistic method which can quantitatively take into account the uncertainty of input parameters by probability distributions, unlike conventional deterministic approaches. The present approach was applied to the design of a conceptual TES model to store hot water for district heating. The probabilistic stability results of this application demonstrated that the approach in our work can be effectively used as a decision-making tool to determine the optimal separation distance between multiple caverns. In addition, the probabilistic results were compared to those obtained through a deterministic analysis, and the comparison results suggested that care should taken in selecting the acceptable level of stability when using deterministic approaches.
In the present study, the thermal performance of multiple rock caverns for large-scale thermal energy storage (TES) was numerically investigated for different separation distances between the caverns through heat transfer analysis using a computational fluid dynamics code, FLUENT. The thermal performance of multiple caverns was assessed in terms of the thermal stratification within the caverns and the heat loss to the surroundings, and the heating characteristics of the rock around the caverns were investigated. The results of numerical simulation showed that there was little difference in thermal performance between multiple TES caverns with different separation distances when the surrounding rock was less heated and it reached thermal steady-state, which represent the thermal states of the surrounding rock at the early and long-term operational stages of the TES caverns, respectively. However, as the separation distance decreased, the rock between the caverns reached thermal steady-state more quickly, and thus the heat loss from the caverns tended to converge rapidly to the value of heat loss occurred under thermal steady-state conditions in the surrounding rock. This result implies that the operating cost of heating the surrounding rock (i.e., rock heating) can be reduced with a reduction in the separation distance between multiple caverns, and suggests that the separation distance should be determined by considering the operating cost of rock heating as well as the construction cost of the caverns.
Kim, Hyunwoo;Park, Dohyun;Park, Eui-Seob;Sunwoo, Choon
Tunnel and Underground Space
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v.24
no.4
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pp.297-307
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2014
Cavern Thermal Energy Storage system stores thermal energy in caverns to recover industrial waste heat or avoid the sporadic characteristics of renewable-energy resources, and its advantages include high injection-and-extraction powers and the flexibility in selecting a storage medium. In the present study, the structural stability of rock mass pillar between these silo-type storage caverns was assessed using a coupled thermal-mechanical model in $FLAC^{3D}$. The results of numerical simulations showed that thermal stresses due to long-term storage depended on pillar width and had significant effect on the pillar stability. A sensitivity analysis of main factors indicated that the influence on the pillar stability increased in the order cavern depth < pillar width < in situ condition. It was suggested that two identical caverns should be separated by at least one diameter of the cavern and small-diameter shaft neighboring the cavern should be separated by more than half of the cavern diameter. Meanwhile, when the line of centers of two caverns was parallel to the direction of maximum horizontal principal stress, the shielding effect of the caverns could minimize an adverse effect caused by a large horizontal stress.
Park, Dohyun;Ryu, Dong-Woo;Choi, Byung-Hee;Sunwoo, Choon;Han, Kong-Chang
Tunnel and Underground Space
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v.23
no.4
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pp.308-318
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2013
Thermal stratification in heat stores is essential to improve the efficiency of energy storage systems and deliver more useful energy on demand. It is generally well known that the degree of thermal stratification in heat stores varies depending on the aspect ratio (the height-to-width ratio) and size of the stores. The present study aims to investigate the effect of the aspect ratio and storage volume of rock caverns for storing hot water on thermal stratification in the caverns and heat loss to the surroundings. Heat transfer simulations using a computational fluid dynamics code, FLUENT were performed at different aspect ratios and storage volumes of rock caverns. The variation of thermal stratification with respect to time was examined using an index to quantify the degree of stratification, and the heat loss to the surroundings was evaluated. The results of the numerical simulations demonstrated that the thermal stratification in rock caverns was improved by increasing the aspect ratio, but this effect was not remarkable beyond an aspect ratio of 3-4. When the storage volume of rock caverns was large, a higher thermal stratification was maintained for a relatively longer time compared to caverns with a small storage volume, but the difference in thermal stratification between the two cases tended to decrease as the aspect ratio became larger. In addition, the numerical results showed that the heat loss to the surrounding rock tended to increase with an increase in aspect ratio because the surface area of rock caverns increased as the aspect ratio became larger. The total heat loss from multiple small caverns with a reduced storage volume per cavern was larger compared to a single cavern with the same total storage volume as that of the multiple caverns.
Park, Dohyun;Ryu, Dongwoo;Choi, Byung-Hee;Sunwoo, Choon;Han, Kong-Chang
Tunnel and Underground Space
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v.23
no.2
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pp.150-159
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2013
It is generally well known that the stratification of thermal energy in heat stores can be improved by increasing the aspect ratio (the height-to-width ratio) of the stores. Accordingly, it will be desirable to apply a high aspect ratio so as to demonstrate the good thermal performance of heat stores. However, as the aspect ratio of a store increases, the height of the store become larger compared to its width, which may be unfavorable for the structural stability of the store. Therefore, to determine an optimum aspect ratio of heat stores, a quantitative mechanical stability assessment should be performed in addition to thermal performance evaluations. In the present study, we numerically investigated the mechanical stability of silo-shaped rock caverns for underground thermal energy storage at different aspect ratios. The applied aspect ratios ranged from 1 to 6 and the mechanical stability was examined based on factor of safety using a shear strength reduction method. The results from the present study showed that the factor of safety of rock caverns tended to decrease with the increase in aspect ratio and the stress ratio of the surrounding rock mass was influential to the stability of the caverns. In addition, the numerical results demonstrated that under the same conditions of rock mass properties and aspect ratio, mechanical stability could be improved by the reduction in cavern size (storage volume), which indicates that one can design high-aspect-ratio rock caverns by dividing a single large cavern into multiple small caverns.
Thermal energy storage (TES) is a technology that stores surplus thermal energy at high or low temperatures for later use when the customer needs it, not just when it is available. TES systems can help balance energy demand and supply and thus improve the overall efficiency of energy systems. Furthermore, the conversion and storage of intermittent renewable resources in the form of thermal energy can help increase the share of renewable resources in the energy mix which refers to the distribution of energy consumption from different sources, and to achieve this, it is essential to combine renewable resources with TES systems. Underground TES using rock caverns, known as cavern thermal energy storage (CTES), is a viable option for large-scale, long-term TES utilization although its applications are limited because of the high construction costs. Furthermore, the heat loss in CTES can significantly be reduced due to the heating of the surrounding rock occurred during long-term TES, which is a distinctive advantage over aboveground TES, in which the heat loss to the surroundings is significantly influenced by climate conditions. In this paper, we introduced important factors that should be considered in the shape and multiple layout design of TES caverns, and proposed guidelines for storage space design.
The influence of the mined-out caves on the stability of the high speed railway tunnel was investigated with a series of geological logging and in-situ tests on the one hand, and with the rock mass classification using the multiple regression analysis on the other hand. The rock mass in this area can be classified as 'fair', and the condition of the discontinuities plays the most important role in the classification of the rock mass. The results of the analysis obtained by the FLAC showed that the western part of the tunnel locating at 50m above the mine cavities could be affected by subsidence associated with a considerable deformation, the magnitude of which might depend on the properties of the rock mass.
Proceedings of the Korean Society for Rock Mechanics Conference
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2000.09a
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pp.147-154
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2000
The influence of the mined-out caves on the stability of the high speed railway tunnel was investigated with a series of geological logging and in-situ tests on the one hand, and with the rock mass classification using the multiple regression analysis on the other hand. The rock mass in this area can be classified as 'fair', and the condition of the discontinuities plays the most important role in the classification of the rock mass. The results of the analysis obtained by the FLAC showed that the western part of the tunnel locating at 50m above the mine cavities could be affected by subsidence associated with a considerable deformation, the magnitude of which might depend on the properties of the rock mass. Key word : multi regression analysis, subsidence, mine cavities
At low in-situ stress, the continuity and distribution of natural fractures in rock mass predominantly control the failure processes. However at high in-situ stress, the failure process are affected and eventually dominated by stress-induced fractures preferentially growing parallel to the excavation boundary. This fracturing is often observed in brittle type of failure such as slabbing or spatting. Recent studies on the stress- or excavation-induced damage of rock revealed its importance especially in a highly stressed regime. In order to evaluate the brittle failure around a deep underground opening, physical model experiments were carried out. For the experiments a new tue triaxial testing system was made. According to visual observation and acoustic emission detection, brittle failure grades were classified under three categories. The test results indicate that where higher horizontal stress, acting perpendicular $(S_{H2})$ and parallel $(S_{H1})$ to the axis of the tunnel respectively, were applied, the failure grade at a constant vertical stress level (Sy) was lowered. The failure initiation stress was also increased with the increasing $S_{H1}\;and\;S_{H2}$. From the multi-variable regression on failure initiation stress and true triaxial stress conditions, $f(S_v,\;S_{H1},\;S_{H2})$ was proposed.
Cho Sung-Il;Kim Chun-Soo;Bae Dae-Seok;Kim Kyung-Su;Song Moo-Young
The Journal of Engineering Geology
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v.15
no.2
s.42
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pp.213-227
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2005
This study aims to assess the problems with investigation method and to suggest the complementary solutions by comparing the predicted data from surface investigation with the outcome data from underground cavern. In the study area, one(NE-1) of 6 fracture zones predicted during the surface investigation was only confirmed in underground caverns. Therefore, it is necessary to improve the confidence level for prediction. In this study, the fracture classification criteria was quantitatively suggested on the basis of the BHTV images of NE-1 fracture zone. The major orientation of background fractures in rock mass was changed at the depth of the storage cavern, the length and intensity were decreased. These characteristics result in the deviation of predieted predicted fracture properties and generate the investigation bias depending on the bore hole directions and investigated scales. The evaluation of hydraulic connectivity in the surface investigation stage needs to be analyze by the groundwater pressures and hydrochemical properties from the monitoring bore hole(s) equipped with a double completion or multi-packer system during the test bore hole is pumping or injecting. The hydraulic conductivities in geometric mean measured in the underground caverns are 2-3 times lower than those from the surface and furthermore the horizontal hydraulic conductivity in geometric mean is six times lower than the vertical one. To improve confidence level of the hydraulic conductivity, the orientation of test hole should be considered during the analysis of the hydraulic conductivity and the methodology of hydro-testing and interpretation should be based on the characteristics of rock mass and investigation purposes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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