Tržišno i okolišno uvjetovana optimizacija fleksibilnih distribuiranih višegeneracijskih jedinica

The share of renewable energy sources in electric power systems around the world is rapidly increasing and this trend is expected to continue in the future. According to "EU Energy and Climate Package" the European Union has set ground for future strategies indicating a goal of 20% share of renewable energy sources in total energy mix by the year 2020, together with 20% more efficient energy use, 20% reduced CO2 emissions and 10% more efficient transport. Several reports and documents indicate that development of Smart Grids and related technologies will be a key component in successful integrations of renewables. However, majority of the current energy system strategies, even in the Smart Grid concept, decouple different energy vectors and propose operational and strategic development schemes independent of each other. This in particular relates to cities as the number of people living in the cities is constantly increasing (today almost 70% of Europe’s population is living in the cities) and are producing around 80% of global carbon emissions. To this, energy is contributing with 75%. In the above mentioned context, modern cities need to be looked at as energy hubs where strategic planning decisions are a multilayer problem describing interactions between different infrastructures and multiple energy vectors. Capturing interactions between different infrastructures and taking into account a number of relevant factors needs to be recognized as a necessity for environmental and economic analyses in sustainable multi-energy system development. Electricity sector decarbonising strategies, supporting integration of renewable energy sources, are followed by the similar actions in heating, displacing carbon emissions usually by electrifying heat. In addition, growing environmental awareness and strong political support have promoted electric vehicles (EV) as an attractive means of transportation. This in turn means that two energy sectors, majorly contributing to overall CO2 emissions are directing their future decarbonising strategies towards electrification. The question is will future heat sector, based on electric heat pumps and electric resistors, and the electrified transport system in form of increasing EV integration, bring additional value in achieving goals of reducing CO2 emissions, or will the new passive electric load just further increase this issue. Opponents of integrating renewable energy sources frequently point out the uncertainty and variability of electricity production from renewable energy sources resources and difficulties related to planning and accurately predicting their output in time. A large share of variable production will inevitably cause changes in the electric power system control and dynamics and if concepts to system operation and planning do not change, electrification actions could have the opposite effect from the desired one. Distributed Generation is seen by many as the electricity production paradigm of the new millennium. In recent years, the Distributed Multi-Generation (DMG) concept has emerged as a concept of operation and planning beyond electricity only approach, whereby DG technologies based on thermal prime movers are capable of increasing the overall generation efficiency by producing manifold forms of energy, such as electricity, heat, cooling. Distributed Multi-Generation has the potential to provide primary energy saving and emission reduction relative to conventional separate generation. The power/energy a single distributed generation unit can provide to the system is rather small, thus there is a need for an aggregated market subject called a Virtual Power Plant (VPP), which is linking-up multiple small distributed power sources like wind turbines, combined heat and power (CHP) units, photovoltaic systems and flexible loads. Centralized control and participation in electricity market as one entity can bring benefits in terms of providing different services and better forecasting due to generation and consumption aggregation. On the above premise, the aim of this thesis is to define a comprehensive and unified techno-economic and environmental modelling and optimization framework for the operational and planning evaluation of different DMG options for district energy systems. The concept of flexibility, seen here from the twofold point of view of operational flexibility (capability to respond to price signals in close to real time) and planning flexibility (robustness to evolving scenarios and capability to adapt to changing market conditions), will be analyzed in detail for the different options.Sigurnost opskrbe energijom danas još uvijek velikim dijelom ovisi o dostupnosti osnovnih energenata, fosilnih goriva. Istovremeno projekcije potrošnje električne energije predviđaju utrostručenje ukupne potrošnje energije u svijetu do 2050. godine. Upravo iz tih razloga, u dokumentu "EU Energy and Climate Package", razvojna energetska politika Europske unije postavila je ciljeve: 20% udjela obnovljivih izvora energije, 20% povećanu učinkovitost korištenja energije, 20% manje emisije CO2 i 10% veću učinkovitost prometnog sektora do 2020. godine. Danas je udio obnovljivih izvora u ukupnoj proizvodnji oko 3%, no pretpostavlja se da će se taj postotak udvostručavati svake tri godine. Kao jedan od ključnih čimbenika u uspješnoj integraciji visokog udjela obnovljivih izvora energije promovira se implementacija koncepata naprednih energetskih mreža - Smart Grida. Većina energetskih strategija danas, čak i u konceptu Smart Grida, razdvaja planiranja i strategije energetskih sektora, ne prepoznajući važnost i prednosti njihove interakcije. Posebno se to odnosi na gradove, u kojima danas u Europi živi preko 70% populacije, koji proizvode oko 80% globalnih emisija stakleničkih plinova. Stoga moderne gradove treba razmatrati kao energetska čvorišta u kojim se odvijaju interakcije svih energetskih vektora, te njihove strategije planiranja i razvoja moraju usvojiti multidisciplinarni pristup. Jedino obuhvaćanjem velikog broja relevantnih faktora, koji adekvatno opisuju uzročno posljedične povezanosti, moguće je provesti kvalitetnu strategiju održivog razvoja za budućnost. Strategije usmjerene na dekarbonizaciju elektroenergetskog sektora prate slične smjernice u toplinskom sektoru, gdje se koncepti smanjenja CO2 emisija uglavnom usmjeravaju prema elektrifikaciji grijanja. Razvijena ekološka svijest istovremeno utječe na sve veće usmjeravanje prometnog sektora prema električnim vozilima kao učinkovitom, ekološkom i atraktivnom načinu prijevoza u budućnosti. Posljedično, to znači da dva važna sektora, koji doprinose ukupnim CO2 emisijama preko 70%, usmjeravaju svoje strategije prema elektrifikaciji. Postavlja se pitanje hoće li budući toplinski sektor, temeljen na dizalicama topline i električnim grijačima te promet usmjeren električnim vozilima, doprinijeti smanjenju stakleničkih plinova ili će se ponašati kao dodatni pasivni teret i još više produbiti problem. Pitanje je na koji način će se takve promjene reflektirati na budući elektroenergetski sektor. Protivnici integracije obnovljivih izvora energije naglašavaju promjenjivu i nepredvidljivu prirodu proizvodnje kao prepreku dobrom vođenju budućih elektroenergetskih sustava; s razlogom, jer veći broj obnovljivih izvora energije neminovno traži promjenu koncepata vođenja sustava, kako učinak njihove integracije ne bi bio upravo suprotan željenom. Pravo pitanje je koje su to promjene potrebne i na kojim razinama se moraju provesti kako bi se mogli uspješno ostvarili zacrtani ciljevi. Distribuiranu proizvodnju mnogi vide kao paradigmu proizvodnje električne energije u novom tisućljeću. U posljednjih nekoliko godina koncept distribuiranih jedinica nadišao je razinu proizvodnje električne energije, pri čemu su tehnologije distribuirane proizvodnje koje se temelje na unutrašnjem izgaranju sposobne povećati ukupnu učinkovitost proizvodnjom više oblika korisne energije poput električne energije te energije grijanja i hlađenja. Pritom se iskorištava otpadna toplina (na primjer u klasičnim kogeneracijskim postrojenjima) i/ili međusobnim povezivanjem takvih jedinica kao na primjer električne dizalice topline s rashladnim, apsorpcijskim uređajima te toplinskim spremnicima. Višegeneracijske jedinice imaju potencijal uštede primarne energije i smanjenja emisije stakleničkih plinova u odnosu na konvencionalnu, odvojenu proizvodnju korisnih oblika energije. Unatoč tome jedinice distribuirane proizvodnje danas su najčešće spojene na elektroenergetsku mrežu kao pasivni subjekti, njihova proizvodnja određena je ili samo pokrivanjem zahtjeva za toplinskom energijom (u tom slučaju električna energija je nusprodukt koji se predaje u elektroenergetsku mrežu) ili iznosom poticaja koji je moguće dobiti za električnu energiju predanu u mrežu, čime se ubrzava povrat njihove investicije. Ovakav način rada i pristupa rijetko odgovara zahtjevima sustava, a puno češće stvara probleme tehničke prirode. Razlozi ovakvog načina rada su višestruki, od neutvrđenih adekvatnih regulatornih okvira, nepostojanja naprednih upravljačkih algoritama, do nedovoljno razvijene ICT infrastrukture, kojom bi se prikupljali i slali odgovarajući procesni podatci za upravljanje spomenutim jedinicama. Distribuirani energetski sustavi stoga će imati značajnu ulogu u stvaranju održive energetske budućnosti. Višegeneracijske jedinice za kombiniranu proizvodnju različitih energetskih vektora su učinkovito rješenje za povećanje energetske učinkovitosti. Najjednostavniji koncept više energetske proizvodne jedinice je kogeneracijska elektrana koja proizvodi toplinsku i električnu energiju iz istog ulaznog goriva, a njene prednosti u odnosu na odvojenu konvencionalnu proizvodnju dobro su poznate. S druge strane, električne dizalice topline smatraju se učinkovitom i ekonomičnom alternativom postojećim kotlovima, a imaju sposobnost smanjenja emisija stakleničkih plinova u sektoru toplinarstva (samo u slučaju kada i elektroenergetski sektor postaje dekarboniziran). Veća integracija električnih dizalica znatno povećava opterećenja elektroenergetske mreže na koju se priključuju, pa odabir ove tehnologije neminovno zahtijeva daljnja ulaganja u elektroenergetsku infrastrukturu. Standardne kogeneracijske jedinice malih i srednjih instaliranih snaga (do 10 MW) imaju zanemarivu sposobnost u reagiranju na tržišne cijene električne energije i samim time na zahtjeve elektroenergetskog sustava. Da bi mogle reagirati na upravljačke signale, kogeneracijske jedinice trebaju biti fleksibilnije, te je upravo iz ovog razloga prepoznata važnost povezivanja takvih jedinica sa spremnicima topline. I dok su prednosti povezivanja kogeneracijskih jedinica sa spremnicima topline jasne, potencijal spajanja kogeneracijskih jedinica i dizalica topline (uz dodatak toplinskog spremnika), s ciljem povećanja fleksibilnosti u odnosu na zahtjeve sustava, je manje istražen. Ovakav koncept imao bi dodatnu vrijednost u budućim elektroenergetskim sustavima s velikim udjelom obnovljivih izvora energije, kad je moguće višak proizvedene električne energije iskoristiti preusmjeravanjem između energetskih vektora. Aktualna istraživanja sugeriraju da bi upravo kombinacija više tehnologija mogla biti optimalno rješenje u suočavanju s promjenjivošću elektroenergetskog opterećenja, uzrokovanom povećanim udjelom obnovljivih izvora energije, no to pitanje još nije sustavno istraženo. Nadalje, ne postoje praktična iskustva, a vrlo je malo sustavnih modela distribuiranih višeenergetskih jedinica, posebno onih temeljenih na kombinaciji kogeneracije i dizalica topline, te stoga njihova uloga ostaje prilično nejasna. Neizvjestan i vrlo dinamičan kontekst budućeg energetskog sustava otvara put istraživanju novih, složenih i inovativnih mogućnosti, temeljenih na kogeneracijskim jedinicama i dizalicama topline, koje bi mogle biti učinkovito implementirane s ciljem poboljšanja ekonomskih i ekoloških performansi budućih energetskih sustava. Dodatni izazov predstavlja integracija cjelovitog višegeneracijskog sustava, koji obuhvaća cijeli niz tehnologija prilagođenih različitim tipovima potrošača i potrošnji različitih energetskih vektora. Složenost ovog problema povećava se ukoliko takav sustav mora biti u mogućnosti održavati stabilnost i sigurnost opskrbe zasebno od ostatka energetskog sustava. Koncept je posebno zanimljiv u industrijskim postrojenjima, gdje postoji relativno konstantna potrošnja više energetskih vektora te je neprekinutost opskrbe od velike važnosti. Ovakvi integrirani koncepti moraju imati veliku fleksibilnost u radu te biti sposobni odgovoriti na promjene u potražnji ili cijeni energije/energenata. Ta sposobnost se očituje u mogućnosti premještanja proizvodnje s jednog energetskog vektora na drugi kao i u skladištenju određenog energetskog vektora u adekvatnim spremnicima, čime krajnji korisnik/potrošač uvijek dobije željenu energetsku uslugu. Posebno je važno naglasiti da takvi sustavi ostvaruju i značajne uštede emisija CO2, a njihove tehničke karakteristike omogućuju znatno veću integraciju neupravljivih, ali CO2 neutralnih, obnovljivih izvora energije, kao što su solarne i vjetroelektrane. S obzirom na to da su jedinice distribuirane proizvodnje najčešće male snage, do nekoliko MW, nisu u mogućnosti sudjelovati na tržištu električnom energijom. Postoje izuzetci, kao što su tržišta Njemačke i Danske, međutim s obzirom na mali utjecaj, njihovo sudjelovanje ograničeno je na tržište dan unaprijed. Agregiranjem u jedan tržišni subjekt, poznat kao virtualna elektrana, takve jedinice imaju mogućnost boljeg pozicioniranja na tržištu te mogućnost sudjelovanja na više tržišta koja pružaju različite usluge. Iz navedenih pretpostavki postavljen je cilj ovog rada: definirati cjeloviti i jedinstveni tehno-ekonomski i okolišni model, te izgraditi optimizacijsku platformu za operativno planiranje različitih višegeneracijskih sustava. Takvi sustavi moraju biti fleksibilni, kako bi mogli odgovarati na signale i zahtjeve sustava. Koncept fleksibilnosti, promatran s dvojakog gledišta operativne fleksibilnosti (sposobnost da reagira na cjenovne signale u stvarnom vremenu), i fleksibilnosti planiranja (robusnost prema razvijenim scenarijima i sposobnost prilagodbe promjenama tržišnih uvjeta), detaljno je analiziran za različite opcije. Kroz analize osjetljivosti za svaku višegeneracijsku jedinicu pokazana je njena fleksibilnost, te izračunate ekonomske i okolišne prednosti koje je moguće postići koordiniranjem i grupiranjem kogeneracijskih jedinica s dizalicama topline i toplinskim spremnicima. U doktorskoj disertaciji bit će prikazana sustavna i sveobuhvatna slika prednosti i nedostataka različitih opcija višegeneracijskih jedinica