Analiza efektywności hybrydowego źródła energii wykorzystującego energię Słońca, wiatru i geotermii – studium przypadku

• Autorzy: Pierzchała Karol , Pająk Leszek

Identyfikatory

DOI

10.15199/9.2025.4.1

Warianty tytułu

EN

Analysis of the Efficiency of a Hybrid Energy Source Utilizing Solar, Wind, and Geothermal Energy – A Case Study

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule opisano analizę efektowności działania ciepłowni geotermalnej, w której sprężarkowa pompa ciepła wykorzystuje wodę geotermalną jako dolne źródło, a energię napędową wytwarza się lokalnie przy wykorzystaniu siłowni wiatrowej i instalacji fotowoltaicznej. Założono, że moc zainstalowana w pompie ciepła odpowiada zapotrzebowaniu na moc odbiorcy ciepła, a moc zainstalowana w siłowni wiatrowej i instalacji PV może zmieniać się, z założonym dwudziestopięcioprocentowym krokiem, od 0 do 100%. W obliczeniach dopuszczano możliwość współpracy źródła energii elektrycznej z siecią elektroenergetyczną, która mogła okresowo pobierać nadwyżki lub dostarczać niedobory energii elektrycznej. Dokonano optymalizacji źródła energii przyjmując, że optymalizowaną funkcją celu będzie prosty czas zwrotu nakładów inwestycyjnych, a optymalizacji dokonano metodą bezpośrednią. Najkrótszym czasem zwrotu (5, 4 lat) cechuje się wariant z turbiną wiatrową o mocy zainstalowanej równej 25% maksymalnego zapotrzebowania na moc napędową dla pompy ciepła, bez fotowoltaiki. Parametry systemu ciepłowniczego odpowiadają rzeczywistym parametrom roboczym istniejącej ciepłowni geotermalnej w Mszczonowie. Założono utrzymanie stałej temperatury, do której schłodzona zostanie woda geotermalna. Z szacunkowych kosztów wynika, że każdy z analizowanych wariantów, cechuje się relatywnie niskim czasem zwrotu przewidzianych nakładów inwestycyjnych (poniżej 10 lat), w stosunku do wariantu zakładającego zakup energii elektrycznej z sieci.

EN

In this study, the efficiency of a geothermal heating plant was analyzed, where a compressor heat pump utilizes geothermal water as the lower heat source, while the driving energy is generated locally using a wind turbine and a photovoltaic (PV) installation. It was assumed that the installed capacity of the heat pump corresponds to the heat consumer’s power demand, while the installed capacity of the wind turbine and PV installation can vary, with a set step of twenty-five percent, from 0 to 100%. The calculations allowed for the possibility of cooperation between the electrical energy source and the power grid, which could periodically consume surplus energy or supply energy shortages. The optimization of the energy source was carried out, assuming that the objective function to be optimized was the simple payback period of investment expenditures, and the optimization was performed using a direct method. The shortest payback period (5.4 years) was found in the variant with a wind turbine installed at 25% of the maximum power demand for the heat pump. The heating system parameters correspond to the actual operating parameters of the existing geothermal heating plant in Mszczonów. It was assumed that the geothermal water would be cooled to a constant target temperature. Cost estimate indicates that the energy produced in the heating plant would be competitive with the analyzed referenced variant has a relatively short payback period for the planned investment expenditures (below 10 years) compare to purchase of the electricity from the grid.

Słowa kluczowe

PL

hybrydowe źródło energii; OZE; siłownia wiatrowa; PV; geotermalna pompa ciepła; ciepłownictwo

EN

hybrid energy source; renewable energy sources; wind turbine; PV; geothermal source heat pump; district heating

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja
• Rocznik: 2025
• Tom: T. 56, nr 4
• Strony: 6--11
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Pierzchała Karol

• Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk w Krakowie

• https://orcid.org/0009-0007-4976-7922

autor

Pająk Leszek

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska
• Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk w Krakowie

• https://orcid.org/0000-0002-6341-9218

Bibliografia

• [1] CENY PRĄDU ENEA / ENERGA / PGE / TAURON - KALKULATORY ZUŻYCIA PRĄDU. http://www.cena-pradu.pl/tabela.html (accessed February 12, 2025).
• [2] Delivering the European Green Deal. https://commission.europa. eu/strategy-and-policy/priorities-2019-2024/european-green-deal/ delivering-european-green-deal_en (accessed February 25, 2025).
• [3] Dimplex G. Pompy ciepła Cennik 2023.
• [4] European Heat Pump Association. European Heat Pump Market and Statistics Report 2024 2024;11:1-14.
• [5] Fit for 55: shifting from fossil gas to renewable and low-carbon gases - Consilium. https://www.consilium.europa.eu/en/infographics/fitfor-55-hydrogen-and-decarbonised-gas-market-package-explained/ (accessed February 17, 2025).
• [6] Instytutu Odnawialnej Energetyki. RYNEK FOTOWOLTAIKI W POLSCE 2024 Raport Instytutu Energetyki Odnawialnej 1 2024.
• [7] Jarzyna W. Warunki wyboru turbin i generatorów elektrowni wiatrowych. Rynek Energii 2011;95:102-6.
• [8] JRC Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) - European Commission. https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/tools.html #TMY (accessed January 25, 2025).
• [9] Kamrat W. 2020. „Wybrane zagadnienia lokalizacji turbin wiatrowych ze względu na ich aerodynamiczne oddziaływanie na przesyłowe linie elektroenergetyczne”. Elektroenergetyka. 1:58-65.
• [10] Pająk L, Tomaszewska B, Bujakowski W, Bielec B, Dendys M. 2020. „Review of the Low-Enthalpy Lower Cretaceous Geothermal Energy Resources in Poland as an Environmentally Friendly Source of Heat” for Urban District Heating Systems. Energies (Basel). 13:1302. https://doi.org/10.3390/en13061302.
• [11] Polski rynek pomp ciepła w I kwartale 2023 r. -wzrost sprzedaży, ale i umiarkowany optymizm - Polska Organizacja Rozwoju Technologii Pomp Ciepła. https://portpc.pl/polski-rynek-pomp-cieplaw-i-kwartale-2023-r-wzrost-sprzedazy-ale-i-umiarkowany-optymizm/ (accessed January 29, 2025).
• [12] PSE. RCEm ‒ Rynkowa miesięczna cena energii elektrycznej - PSE. https://www.pse.pl/oire/rcem-rynkowa-miesieczna-cena-energiielektrycznej (accessed February 10, 2025).
• [13] Rubik M. 2021. „Chłodnictwo i pompy ciepła. 2nd ed”. Warszawa: MEDIUM GRUPA.
• [14] Strzeszewski M, Wereszczyński P. Norma PN-EN 12831 Nowa metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego Poradnik. Poland: 2009.
• [15] Szymański B. 2017. „Instalacje Fotowoltaiczne. VI. Kraków”. GLOBEnergia; 2017.
• [16] Taryfa dla ciepła - Geotermia Mazowiecka S.A. https://geotermia.com.pl/taryfa-dla-ciepla/ (accessed February 12, 2025).
• [17] Understand low-carbon energy in Poland through Data | Low-Carbon Power. https://lowcarbonpower.org/region/Poland (accessed February 11, 2025).
• [18] PSEW. Energetyka wiatrowa w Polsce. Raport. 2024.
• [19] wind-turbine-models.com. https://pl.wind-turbine-models.com/ (accessed February 10, 2025).