Heat demand mapping and energy planning with a focus on district heating-case study for the city of Zagreb

Visokoučinkovite kogeneracije i centralizirani toplinski sustavi imaju znatan potencijal uštede primarne energije, ukupnih emisija ugljičnog dioksida i smanjenja ovisnosti o uvozu fosilnih goriva. Europska unija je prepoznala prednosti održivog grijanja iz centraliziranih toplinskih sustava te je u Direktivu 2012/27/EU uvrstila njihovo proširenje kao jedan od načina poboljšanja energetske učinkovitosti. Kako bi se odredilo koja područja su pogodna za proširenje centraliziranih toplinskih sustava, potrebno je procijeniti postojeće stanje. Budući da realna tehnička i ekonomska ograničenja takvih sustava uvelike ovise o geografskoj distribuciji potreba, izvora energije te postojećoj infrastrukturi, za ovakve analize potrebno je provesti prostorno mapiranje. U ovom rada predstavljena je metoda mapiranja toplinskih potreba koristeći alat geografskog informacijskog sustava QGIS. Rezultat ovog postupka jest vrlo precizna karta toplinskih potreba, uz pomoć koje je moguće odrediti područja pogodna za proširenje distribucijske mreže. Prikazana metoda korištena je na slučaju mapiranja toplinskih potreba grada Zagreba. Sukladno dobivenim rezultatima, određena su ekonomski pogodna područja za opskrbu toplinom iz centraliziranih toplinskih sustava. Pri tome su uzeta u obzir četiri načina pokrivanja dodatnih toplinskih potreba: plinskim kotlom, plinskom kogeneracijom, kotlom na biomasu i kogeneracijom na biomasu. Dobiveni rezultati su pokazali kako bi se najveće proširenje centraliziranog toplinskog sustava postiglo instalacijom kogeneracije na biomasu. Točnije, u slučaju implementacije ovog rješenja, isplativo bi bilo proširiti centralni toplinski sustav za 66 % u usporedbi s trenutnim stanjem što bi imalo za rezultat povećanje opskrbe toplinskom energijom za 57 %. Na temelju dobivenih rezultata izrađeni su scenariji koji prikazuju uštede primarne energije i ugljičnog dioksida u slučaju implementacije tih mjera. Kogeneracija na biomasu se pokazala najpovoljnijom sa strane ušteda ugljičnog dioksida te je izračunato kako bi ona doprinijela godišnjoj uštedi od gotovo 300 000 tona CO2. S druge pak strane, najveće uštede primarne energije postigle bi se korištenjem plinske kogeneracije koja bi doprinijela uštedi od oko 360 000 MWh godišnje.Highly efficient cogeneration and district heating systems have a significant potential of saving in primary energy consumption, carbon dioxide emissions and fossil fuel import dependence. The European Union has recognized the benefits of sustainable heating from district heating systems and has set its improvement as one of the objectives for energy efficient solutions in European Union Directive 2012/27/EU. In order to determine the areas where it would be beneficial to extend the existing distribution network, it is necessary to assess the current situation. Since the real technical and economic constraints of such systems highly depend on the geographic distribution of heat demand, energy sources and existing infrastructure, spatial mapping is performed for such analyses. This thesis presents the method for heat demand using the geographic information system tool QGIS. The result of this procedure is a precise heat demand map which allows determining the areas suitable for the expansion of the distribution network. Presented method was used for mapping the heat demand of the City of Zagreb. According to the obtained heat demand map, economically feasible areas for the supply of heat from district heating system have been determined. Four solutions of supplying additional heat demand were considered: natural gas boiler, natural gas cogeneration, biomass boiler and biomass cogeneration. Cogenerations (biomass and natural gas) proved to be the most effective solution. Installation of biomass cogeneration would result in the largest expansion of the district heating network. More specifically, in a case of implementation of this solution, it would be profitable to extend the central heating system network by 66 % compared to the current situation, which would result in an 57 % increase of heat energy supply. Based on the obtained results, scenarios showing primary energy and carbon dioxide savings were made. Biomass cogeneration proved to be the most efficient solution in terms of carbon dioxide emission reduction, with annual savings of almost 300,000 tons. On the other hand, the greatest savings of primary energy would be achieved in case of gas cogeneration, with annual savings of around 360,000 MWh