Model efektywnego systemu ciepłowniczego na bazie energii solarnej

• Autorzy: Mirek Justyna , Słomczyńska Klaudia , Mirek Paweł

Identyfikatory

DOI

10.36119/15.2022.11.1

Warianty tytułu

EN

Model of an efficient district heating system based on solar energy

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Odchodzenie od spalania paliw węglowych, zwiększenie wykorzystania odnawialnych źródeł energii, a w konsekwencji uzyskanie statusu efektywnego systemu ciepłowniczego - to podstawowe priorytety oraz wyzwania związane z produkcją ciepła systemowego w Polsce. Jednym ze sposobów osiągnięcia przez system ciepłowniczego statusu efektywnego, jest zwiększenie udziału pogodowozależnych odnawialnych źródeł energii. Wykorzystanie tego typu źródeł wpływa dodatkowo na poprawę bezpieczeństwa energetycznego poprzez uniezależnienie od dostaw paliw z zewnętrz oraz stabilizację cen ciepła. W pracy przedstawiono koncepcję systemu ciepłowniczego wykorzystującego energię promieniowania słonecznego, opartego o wielkoformatowe farmy solarne połączone z sezonowym magazynem ciepła oraz farmy fotowoltaiczne, w którym odnawialne źródła energii stanowiły ponad 93% całkowitej energii wprowadzonej do układu. Dodatkowo porównano dwa warianty systemu - różniące się od siebie zastosowaniem instalacji elektrolizy wodoru oraz jednostki kogeneracyjnej z wykorzystaniem silników wodorowych. Obliczenia przeprowadzano w polskich warunkach pogodowych, z wykorzystaniem oprogramowania symulacyjnego TRNSYS 18. Wykazano, że zastosowanie silnika kogeneracyjnego podnosi jednostkowy koszt ciepła o 16,75 zł/GJ bez wyraźnego wpływu na zwiększenie udziału OZE w procesie produkcji energii oraz efektywność energetyczną. W przypadku badanej wielkości instalacji bardziej uzasadniona ekonomicznie jest koncepcja systemu bez ścieżki wodorowej (LCOH = 99,43 zł/GJ).

EN

Moving away from burning coal-based fuels, increasing the use of renewable energy sources, and consequently achieving efficient district heating system status - these are the main priorities and challenges for system heat production in Poland. One way for a district heating system to achieve efficient status is to increase the share of weather-dependent renewable energy sources. The use of such sources additionally improves energy security through independence from external fuel supplies, and stabilizes heat prices. The paper presents a concept of a solar thermal system, based on large-scale solar farms combined with seasonal heat storage, and photovoltaic farms, in which renewable energy sources accounted for more than 93% of the total energy input into the system. In addition, two variants of the system were compared - differing in the use of a hydrogen electrolysis plant, and a cogeneration unit using hydrogen engines. Calculations were carried out under Polish weather conditions, using the TRNSYS 18 simulation software. It was shown that the use of a cogeneration engine raises the unit cost of heat by 16.75 PLN/GJ without a clear impact on increasing the share of RES in the energy production process, and energy efficiency. For the size of the plant under study, the system concept without the hydrogen path (LCOH = PLN 99.43/GJ) is more economically justified.

Słowa kluczowe

PL

system ciepłowniczy efektywny; TRNSYS; wodór; energia solarna; magazyn ciepła; PTES

EN

efficient district heating system; TRNSYS; hydrogen; solar energy; PTES; thermal energy storage

• Wydawca: Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie''
• Czasopismo: Instal
• Rocznik: 2022
• Tom: nr 11
• Strony: 19--27
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab., wzory

Twórcy

autor

Mirek Justyna

• ENERGOPROJEKT-KATOWICE SA

autor

Słomczyńska Klaudia

• Wydział Infrastruktury i Środowiska, Politechnika Częstochowska

• https://orcid.org/0000-0002-0932-1949

autor

Mirek Paweł

• Wydział Infrastruktury i Środowiska, Politechnika Częstochowska

• https://orcid.org/0000-0001-5451-1533

Bibliografia

• [1] Urząd Regulacji Energetyki, “Energetyka cieplna w liczbach - 2020,” URE, Warszawa, Luty 2022.
• [2] Wang D., Orehounig K., Carmeliet J., A Study of District Heating Systems with Solar Thermal Based Prosumers, Energy Procedia, 2018, 149, 132-140
• [3] Tian Z., Zhang S., Deng J., Fan J., Huang J., Weiqiang K., Perers B., Furbo S., Large-scale solar district heating plants in Danish smart thermal grid: Developments and recent trends, Energy Conversion and Management, 2019, 189, 67-80
• [4] Lumbreras M., Garay R., Energy & economic assessment of façade-integrated solar thermal systems combined with ultra-low temperature district-heating, Renewable Energy, 159, 1000-1014
• [5] Bloess A., Schill W.-P. Zerrahn A., Power-to-heat for renewable energy integration: A review of technologies, modeling approaches, and flexibility potentials, Applied Energy, 212, 1611-1626
• [6] Song Z., Ji J., Li Z., Comparison analyses of three photovoltaic solar-assisted heat pumps based on different concentrators, Energy and Buildings, 2021, 251, 111348
• [7] Rehman H., Hirvonen J., Kosonen R., Siren K., Computational comparison of a novel decentralized photovoltaic district heating system against three optimized solar district systems, Energy Conversion and Management, 2019, 191, 39-54
• [8] Jodeiri A., Goldsworthy M., Buffa S., Cozzini M., Role of sustainable heat sources in transition towards fourth generation district heating - A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2022, 158, 112-156.
• [9] Pakere I., Lauka D., Blumberga D., Solar power and heat production via photovoltaic thermal panels for district heating and industrial plant, Energy, 2018, 154, 424-432
• [10] Soloha R., Pakere I., Blumberg D., Solar Energy use in district heating systems. A case study in Latvia, Energy, 2017, 137, 586-594.
• [11] Johansen K., Werner S., Something is sustainable in the state of Denmark: A review of the Danish district heating sector, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2022, 158, 112-117.
• [12] Sifnaios I., Jensen A.R., Furbo S., Fan J., Performance comparison of two water pit thermal energy storage (PTES) systems using energy, exergy, and stratification indicators, Journal of Energy Storage, 2022, 52B, 104947.
• [13] Tordrup K.W., Poulsen S.E., Bjørn H., An improved method for upscaling borehole thermal energy storage using inverse finite element modelling, Renewable Energy, 2017, 150, 13-21.
• [14] Pavlov G.K., Olesen B.W., Seasonal Ground Solar Thermal Energy Storage - Review of Systems and Applications, 30th ISES Biennial Solar World Congress 2011, SWC 2011, 6, 4864-4874.
• [15] Mahon H., O’Connor D., Friedrich D., Hughes B., A review of thermal energy storage technologies for seasonal loops, Energy, 2022, 239, 122207.
• [16] Karim A., Burnett A., Fawzia S., Investigation of Stratified Thermal Storage Tank Performance for Heating and Cooling Applications, Energies, 2018, 11, 1049.
• [17] Aaalborg CSP, Pit thermal energy storage (PTES), (HYPERLINK "https://www.aalborgcsp.com/business-areas/thermal-energy-storage-tes/pit-thermal-energy-storage-ptes/" https://www.aalborgcsp.com/businessareas/thermal-energy-storage-tes/pit-thermal-energy-storage-ptes/).
• [18] Oficjalna strona oprogramowania TRNSYS (HYPERLINK “http://www.trnsys.com” www.trnsys.com).
• [19] Yang T., Liu W., Kramer G.J., Sun Q., Seasonal thermal energy storage: A techno-economic literature review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2021, 139, 110732.
• [20] Prezes Urzędu Regulacji Energetyki, Informacja Prezesa Urzędu Regulacji Energetyki nr 17/2022 w sprawie średnich cen sprzedaży ciepła wytworzonego w jednostkach wytwórczych niebędących jednostkami kogeneracji w roku 2021, 2022 (HYPERLINK "https://www.ure.gov.pl/pl/urzad/informacje-ogolne/komunikaty-prezesa-ure/10193,Informacja-nr-172022.html", https://www.ure.gov.pl/pl/urzad/informacje-ogolne/komunikaty-prezesa-ure/10193,Informacja-nr-172022.html).
• [21] TRNSYS 18: A Transient System Simulation Program, Solar Energy Laboratory, 2017.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023)