Techno-economic analysis of the implementation of a biomass district heating system in the City of Ogulin

Energetska učinkovitost i centralizirani toplinski sustavi vrlo su djelotvorni u smanjivanju potrošnje energije, ukupnih emisija i ovisnosti o uvozu fosilnih goriva. Centralizirani toplinski sustavi imaju dodatne mogućnosti u obliku korištenja niskotemperaturne i otpadne topline, integraciju obnovljivih izvora energije i povećanje fleksibilnosti energetskog sustava tako što se višak proizvedene električne energije može na visokoučinkovit način pretvoriti i pohraniti u obliku toplinske energije pomoću dizalica topline i toplinskih spremnika. U ovome radu prikazano je mapiranje potreba za toplinskom energijom u gradu Ogulinu i na temelju toga su predložene 3 konfiguracije distribucijske mreže: najveća koja obuhvaća sve popisane objekte, najmanja s objektima u blizini kotlovnice i ona koja sadrži samo objekte koji već imaju ugrađene instalacije potrebne za spajanje na centralizirani toplinski sustav. Uz to su napravljena 3 scenarija proizvodnje toplinske energije koji uključuju kombinaciju kotla na biomasu, dizalicu topline, solarne kolektore i satni, odnosno sezonski toplinski spremnik. Prvi scenarij podrazumijeva korištenje samo kotla na biomasu, sljedeći scenarij uvodi dizalicu topline, dok treći dodaje solarne kolektore i zamjenjuje satni toplinski spremnik sa sezonskim. Kako bi se odredila najisplativija konfiguracija mreže, odnosno scenarij, provedena je optimizacija veličine spremnike i rada sustava čiji je cilj minimalizirati ukupne troškove. Kao ulazne parametre potrebno je definirati satnu potrošnju toplinske energije, snage proizvodnih jedinica, specifične cijene proizvodnje toplinske energije i specifičnu cijenu toplinskog spremnika. Optimizacijski kod je izrađen na Fakultetu strojarstva i brodogradnje u Zagrebu, na Katedri za energetiku i energetska postrojenja. Kako bi se odredila financijski najisplativija verzija sustava, napravljena je tehno-ekonomska analiza u kojoj je najvažniji pokazatelj financijske uspješnosti prodajna cijena toplinske energije koja može osigurati neto sadašnju vrijednost projekta jednaku nuli. Kao najisplativiji scenarij pokazala se najveća konfiguracija mreže korištena u Scenariju 2 gdje dizalica topline i kotao na biomasu pokrivaju 90% vršnog toplinskog opterećenja. Uvođenje solarnih kolektora i sezonskog toplinskog spremnika nije postiglo željeni rezultat, takav projekt se pokazao neisplativim ako se ne koriste bespovratni poticaji.Energy efficiency and district heating systems are a very effective way of cutting down on energy consumption, carbon dioxide emissions and fossil fuel import dependence. District heating has some additional characteristics including: an efficient exploitation of low-temperature and waste heat, the possibility of renewable energy sources integration and the increase in flexibility of energy systems by using high efficient heat pumps and large thermal energy storage to convert surplus electricity from the grid to heat. This thesis demonstrates a mapping of thermal energy needs for the city of Ogulin and following this, 3 distribution system configurations have been proposed: the largest which includes all the mapped buildings, the smallest which presents only the ones close to the heating plant and the third one which includes only the buildings with an already existing infrastructure that is needed for connecting to district heating system. In addition to this, three scenarios of thermal energy production units have been made which combine a biomass boiler, a heat pump, solar collectors and thermal energy storage. The first one uses only a boiler and the storage, the second one adds a heat pump into the system and the last one integrates solar collectors and replaces daily storage with a seasonal one. To prove which of the configurations and scenarios are the best, the optimization of storage size and thermal energy production distribution has been carried out. It minimizes heat production costs and heat storage investment costs by using these input parameters: heat demand distribution, production unit’s capacities, specific costs of heat production and specific investment costs of thermal heat storage. The optimization code has been made at the Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture, Power Engineering and Energy Management Chair. A techno-economic analysis has been conducted to find the best possible solution, where the most important parameter was the price of thermal energy paid by the consumers which will equalize the net present value of the project with zero. The most profitable scenario includes the largest distribution system configuration which combines thermal storage, a biomass boiler and a heat pump. The integration of solar collectors has been proved to be unfeasible if subsidies are not used