The impact of district heating and cooling on the penetration of intermittent renewable energy sources in moderate and Mediterranean climates

Autor: Novosel, Tomislav
Přispěvatelé: Duić, Neven
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2023
Předmět:
Popis: The European Union has set an ambitious goal of a total or at least near-total decarbonisation until 2050. Buildings represent the single largest contributor of greenhouse gases and are the largest single energy consumer across the continent. As more and more people move into densely populated urban areas, the sustainable supply of energy for space heating, cooling and the production of domestic hot water will become an ever-increasing issue. District heating and cooling systems present themselves as an ideal solution in this process as they enable the production and utilization of renewable and waste energy at locations where they are available as well as their distribution to the locations where they are need at high energy densities. They also allow for increased flexibility in terms of production technologies and energy sources as the majority of the system and the associated costs are linked to the distribution side which consists of hot water pipes and systems of distributing the water. Finally the utilization of district heating and cooling systems in a combination with power to heat and heat storage technologies can lock the potential to increase the overall energy systems flexibility and in turn, increase its capacity to utilize intermittent renewable electricity sources. The main objective of this doctoral thesis is the assessment and quantification of the impact of district heating and district heating and cooling on the potential for the utilization of intermittent renewables in moderate and Mediterranean climates. The hypothesis of the thesis is that a high share of district heating and district heating and cooling in a combination with power to heat and heat storage can have a significant and positive impact on the potential of the energy system as a whole to integrate more intermittent renewables into its electricity generation without generating excessive critical excess of electricity in Europe’s continental and Mediterranean climates. The doctoral thesis is based on six papers, four of which have been published in high impact factor CC journals, one in a Q2 journal and one conference paper. The presented results have confirmed the proposed hypothesis. As seen in the results of the thesis, systems with a high share of district heating and cooling could easily absorb 4.000 MW of wind and 4.000 MW of PV which would produce upwards of 17,13 TWh of electricity, or roughly 73% of the total electricity demand (including the additional demand from heat generation through heat pumps and electric boilers), with roughly 5% critical excess of electricity production. The results also demonstrate that district cooling, even though it represents a much smaller demand then district heating and is integrated into the scenarios with much smaller shares, still decreases critical excess of electricity production by up to an additional 12% when comparing scenarios with and without cooling. Demand side management and flexibility of energy systems is an increasingly important element as the share of intermittent renewable energy sources such as wind and solar power increase. District heating and cooling can enable this flexibility while also providing an adaptable and sustainable source of heating and cooling energy for Europe’s densely populated cities. It is a key technology which needs wider adoption in Europe’s mild and Mediterranean climates where it can bring all the benefits it is already providing to other territories across the continent. Europska unija je postavila ambiciozan cilj potpune ili barem gotovo potpune dekarbonizacije do 2050. Sektor zgradarstva predstavlja najveći izvor stakleničkih plinova i najveći potrošač energije na kontinentu. Pošto sve više ljudi živi u gusto naseljenim urbanim područjima, održiva opskrba energijom za grijanje prostora, hlađenje i proizvodnju tople vode postat će sve veći izazov. Centralizirani sustavi za grijanje i hlađenje predstavljaju idealno rješenje u ovom procesu, budući da omogućuju proizvodnju i korištenje obnovljive i otpadne energije na mjestima gdje su dostupne, te njihovu distribuciju do mjesta na kojima su potrebne s visokim gustoćama energije. Također omogućuju povećanu fleksibilnost u smislu korištenja tehnologija proizvodnje energije pošto je većina sustava te troškova vezana uz distribucijsku stranu koja se u suštini sastoji od cijevi za toplu vodu i sustava za distribuciju te vode. Korištenje centraliziranih sustava za grijanje i hlađenje u kombinaciji s tehnologijama pretvorbe električne u toplinsku energije te sustava pohrane topline može osigurati povećanje fleksibilnosti cjelokupnog energetskog sustava i time povećati njegovu sposobnost korištenja intermitentnih izvora obnovljive električne energije. Glavni cilj ovog doktorskog rada je procjena i kvantifikacija utjecaja centraliziranih sustava grijanja i hlađenja na potencijal za korištenje intermitentnih obnovljivih izvora energije u umjerenim i mediteranskim klimama. Hipoteza rada je da visok udio centraliziranih sustava grijanja i hlađenja u kombinaciji s tehnologijama pretvorbe električne u toplinsku energiju i sustava pohrane toplinske energije može imati značajan i pozitivan utjecaj na potencijal energetskog sustava za korištenje viših udjela intermitentnih obnovljivih izvora za proizvodnju električne energije bez stvaranja kritičnih viškova električne energije u kontinentalnim i mediteranskim klimama u Europi. Doktorski rad temelji se na šest radova, od čega četiri objavljena u CC časopisima visokog faktora odjeka, jednom u časopisu kategorije Q2 i jednom konferencijskom radu. Prikazani rezultati su potvrdili predloženu hipotezu. Kako je vidljivo u rezultatima rada, sustavi s visokim udjelom centraliziranih sustava grijanja i hlađenja lako bi mogli prihvatiti 4.000 MW vjetra i 4.000 MW solarnih elektrana što bi proizvelo više od 17,13 TWh električne energije ili oko 73% ukupne potražnje za električnom energijom (uključujući dodatnu potražnju za proizvodnju topline putem dizalica topline i električnih bojlera), s oko 5% kritičnog viška proizvodnje električne energije. Rezultati također pokazuju da centralizirani sustavi hlađenja, iako predstavljaju znatno manju potražnju od grijanja te se u scenarije uključuju sa znatno manjim udjelima, još uvijek smanjuje kritični višak proizvodnje električne energije za dodatnih 12% kada se uspoređuju scenariji s i bez hlađenja. Potreba za upravljanjem potražnjom i fleksibilnošću energetskih sustava sve je važnija kako raste udio intermitentnih izvora obnovljive energije poput vjetra i solarne energije. Širokom primjenom sustava centraliziranog grijanja i hlađenja omogućuje se ta fleksibilnost, uz istovremeno pružanje prilagodljivog i održivog izvora energije za grijanje i hlađenje gusto naseljenih europskih gradova. To je iznimno bitna tehnologija koja zahtijeva šire prihvaćanje u umjerenim i mediteranskim klimama u Europi, gdje može donijeti sve prednosti koje već pruža drugim dijelovima europskog kontinenta.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: