Optimization of district heating system operation based on power-to-heat technologies

Centralizirani toplinski sustavi tehnologija su kojom se toplinska energija proizvodi na jednoj lokaciji te zatim toplovodnim ili vrelovodnim sustavima distribuira do potrošača. Korištenjem ovakvih sustava nasuprot lokalnih mogu se postići niži troškovi proizvodnje i vođenja sustava. U CTS-ove novijih generacija također lako se implementiraju sustavi s OIE poput vjetra ili solara, a pomoću dizalica topline mogu se iskoristiti i niskotemperaturni izvori topline. U sklopu ovog rada analizirano je kako se CTS-ovi s različitim tehnologijama proizvodnje i skladištenja toplinske energije brzog odziva mogu optimizirati da se u svakom satu toplinska energija dobiva iz točno onog izvora koji je u tom trenutku najisplativiji. Proučavane su tri različite konfiguracije sustava s obzirom na to koje se tehnologije koriste. Također svaka od konfiguracija je dodatno podijeljena u tri scenarija kako bi se analizirao utjecaj smanjenja temperature polaznog voda CTS-a. Tri korištene tehnologije imaju varijable koje su izravno ovisne o temperaturi mreže te je promatrano kako će smanjenje temperature mreže utjecati na njih te cijenu proizvodnje toplinske energije. U prvom scenariju korištene su samo dvije tehnologije, kogeneracija na biomasu i bojler te je utjecaj smanjenja temperature mreže promatran preko omjera električne i toplinske snage kogeneracijskog postrojenja. U drugom scenariju dodana je još i dizalica topline zrak-voda čiji COP također ovisi o temperaturi mreže pa je promatran utjecaj na dva faktora. Konačno u trećem scenariju u konfiguraciju su dodani i solarni paneli za proizvodnju topline. Kod njih je u ovisnosti s temperaturom mreže specifična proizvedena toplina kao treći faktor čiji se utjecaj promatrao. U svakom od scenarija smanjenje temperature mreže dovelo je do smanjenja LCOH te RC odnosno manjih troškova proizvodnje toplinske energije. Također pokazalo se da uvođenjem dizalice topline i solarnih panela dodatno pada LCOH što je činjenica koja ide u prilog ugrađivanju novijih i čišćih tehnologija proizvodnje toplinske energije. Spremnik toplinske energije također je pokazao svoju korist kada se koriste novije tehnologije preuzimajući toplinu koju su one proizvodile po niskoj cijeni, a koja bi bez prisutnosti spremnika bila beskorisna te bi se vjerojatno kasnije toplina morala proizvoditi po višoj cijeni. S čisto ekonomskog gledišta najbolja je kombinacija iz drugog scenarija s niskotemperaturnom mrežom koja je ostvarila najbolji LCOH. Ipak i scenarij sa solarnim panelima je vrlo sličnog LCOH te nižih troškova proizvodnje, a i koristi obnovljive izvore energije pa se može opravdati i opcija korištenja te konfiguracije.In district heating systems heat is generated at a centralized location and then distributed to the consumers through a piping system. Using this kind of systems instead of local heating can result in lower operation and maintenance costs. Also, renewable energy sources like wind or solar power are easily incorporated into new generation DH systems. This paper offers theoretical analysis on optimization of DH systems with different heat generating and storing technologies. The goal was to optimize those in a way that every hour the heat comes from most cost-effective source. Three different configurations of DH system were used. Also, every configuration had threes subscenarios in which effect of lowering the DH system temperature was analysed. Three heat generating technologies have variables which are affected by lowering the DH system temperature so the insight on those effects is offered. First scenario uses only two technologies, biomass cogeneration heat plant and biomass heat only boiler. Lowering of system temperature had effect on power to heat ratio of the cogeneration plant. In the next scenario air-water heat pump was added to the configuration. Its COP is also dependent on the system temperature so there was two varibles affected by changing the temperature. Third scenario uses solar thermal panels as the fourth heat generation technology. Specific heat generated by solar thermal plant is the variable which indirectly depends on the system temperature. In every scenario lowering the system temperature had an effect of lowering the LCOH and RC which results in lower costs of generating heat. Also implementing the heat pump and solar thermal plant had the further effect of lowering LCOH which contributes to the idea of implementing RES technologies. Thermal energy storage also had its use because it stored the excess heat generated in times of low costs which would have been useless if there was no sstorage and the heat would probably have to be generated at higher cost later when needed. From the economic point of view, the second scenario low DH system temperature configuration is the best because it offers the best LCOH. The third scenario is better from the ecology and running costs point of view because it uses RES so the usage of that configuration can also be justified