Analysis of a district energy system containing thermal energy storage and heat pumps

Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2017No contexto de atingir as metas estabelecidas até 2050 para a redução da emissão de gases de efeito de estufa, as redes urbanas de energia são já consideradas uma solução provada. Isto deve-se essencialmente ao facto de estas possibilitarem recuperar energia que seria de outra forma desperdiçada. Para além disso, possibilitam a integração de diferentes fontes de energia renovável, ou outras tecnologias, como é o caso de armazenamento térmico de energia. Quando presente, armazenamento de energia térmica confere maior flexibilidade, bem como maior segurança energética e pode ser usado para otimizar o equipamento responsável pela produção de energia térmica, como por exemplo bombas de calor. O principal objetivo deste projeto é estudar a influência da introdução de armazenamento de energia térmica de curta duração numa rede urbana de energia, em que o abastecimento de calor é suprido por uma combinação de armazenamento de energia térmica sazonal e bombas de calor. Em particular, pretende-se analisar de que forma pode o armazenamento de curta duração, que consiste num tanque de água, ser usado para deslocar a produção de calor (carga térmica), de períodos de cheia ou ponta, para períodos de vazio, e quantificar as consequências desta estratégia (load shifting) na produção de energia térmica e consumo de eletricidade. Para que isto seja possível, o consumo de energia relacionado com aquecimento e arrefecimento de um grupo de edifícios é determinado usando um modelo implementado em Modelica, e a análise dos sistemas de energia é feita através de um modelo analítico, implementado em Matlab. Os resultados obtidos mostram que a introdução de armazenamento térmico de curto prazo, permitiu deslocar parte da carga térmica de períodos de pico, para períodos de vazio. Isto levou a uma redução significativa (11.5% a 37.5%) nos custos individuais de eletricidade para os consumidores de calor, que foram determinados com base nos preços de mercado de eletricidade holandês (EPEX), e em tarifas de distribuição e transmissão. Paralelamente, verificou-se um aumento na produção total de calor (~ 7%), principalmente devido a maiores perdas térmicas face ao sistema sem armazenamento de curta duração. No entanto, a eficiência global das bombas de calor (COP) também aumentou (~ 14%), o que resultou ainda assim num menor consumo global de eletricidade (~ -13%), apesar da maior produção de energia.In the context of meeting the targets set by 2050 for reducing greenhouse gas emissions, District Energy (DE) systems are considered to be a proven solution. This is essentially due to their ability to re-use energy that would otherwise be wasted, and its compatibility with a variety of other technologies, such as Thermal Energy Storage (TES) and renewable energy sources. When available, thermal energy storage provides greater flexibility, reliability, as well as energy security and it can be used to optimize equipment responsible for thermal energy production, as for instance, heat pumps. The main objective of this project is to study the influence of the introduction of short-term thermal storage in a DE, where heat and cold requirements are supplied by a combination of seasonal TES and heat pumps. To be specific, the focus is to analyze to what extent can short-term TES be used to shift the heat pumps electrical heating loads, from peak to off-peak periods, and quantify the influence of this strategy on energy production and electricity consumption. In order to do this, space heating and cooling demand data regarding a group of buildings is determined in Dymola/Modelica, and the energy systems performance is evaluated by using an analytical MATLAB model. The results obtained show that the introduction of short-term storage allowed to shift some of the thermal load from peak to off-peak periods. This operation led to a significant reduction in the individual electricity costs for the heat consumers (11.5% to 37.5%), which were determined based on electricity prices from the Dutch EPEX day-ahead spot market. Regarding electricity consumption and total heat production, it was noticed that the introduction of short-term storage led to an increase in the total heat output from heat pumps (~7%), mainly due to higher thermal losses. However, the global heat pumps coefficient of performance (COP) also increased (~14%), which resulted in less electricity consumption (~-13%), despite of the higher heat production