Operation algorithms of seasonal thermal storage in the conditions of a district heating company

• Autorzy: Kurkus-Gruszecka Michalina , Krawczyk Piotr , Badyda Krzysztof

Warianty tytułu

PL

Algorytmy pracy sezonowego zasobnika ciepła w warunkach przedsiębiorstwa ciepłowniczego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article focuses on developing and analysing operation algorithms for seasonal thermal storage within a district heating company in a warm transitional climate in Europe. The heating plant, which serves around 50,000 residents, relies on a combination of heat sources, including renewable energy, high-efficiency cogeneration units, and peak-load sources, to meet the fluctuating heat demand throughout the year. The study is motivated by the significant seasonal variations in heat demand, with lower demand in summer and high peaks during the cold winter months. The research explores three strategies for managing the thermal storage system, each aiming to optimise available heat sources across different seasons. The goal was to maximise the use of high-efficiency cogeneration units and minimise the operation of less efficient peak-load sources, which are typically more expensive and environmentally taxing. Through simulations, the article demonstrates that strategic use of seasonal thermal storage can significantly reduce the reliance on low-efficiency peak sources, with reductions in their utilisation ranging from 58% to 85%. The findings suggest that optimising these algorithms can lead to considerable cost savings, improved energy efficiency, and reduced environmental impact for district heating systems.

PL

W artykule opracowano i poddano analizie algorytmy działania sezonowego magazynowania ciepła W przedsiębiorstwie ciepłowniczym znajdującym się W ciepłym klimacie przejściowym W Europie. Analizowane przedsiębiorstwo ciepłownicze dostarcza ciepło do około 50 000 mieszkańców, opierając się na kombinacji podmiotów wytwórczych, wtym energii odnawialnej, jednostek kogeneracyj nych oraz źródeł szczytowych. Badanie motywowane jest znacznymi sezonowymi wahaniami zapotrzebowania na ciepło, tj. niższym zapotrzebowaniem W lecie i wysokim zapotrzebowaniem w miesiącach zimowych. W badaniu przeanalizowano trzy strategie zarzadzania systemem magazynowania ciepła, z których każda miała na celu optymalizację wykorzystania dostępnych źródeł ciepła W poszczególnych porach roku. Celem pracy było zmaksymalizowanie wykorzystania wysokosprawnych jednostek kogeneracyjnych i zminimalizowanie działania źródeł obciążenia szczytowego o mniej szej sprawności oraz większym negatywnym Wpływem na środowisko. Przeprowadzone symulacje wskazują, iż strategiczne wykorzystanie sezonowego zasobnika ciepła może znacznie zmniejszyć zależność zakładu od nisko-sprawnych źródeł szczytowych, przy redukcji ich wykorzystania W zakresie od 58% do 85%. Wyniki sugerują, że optymalizacja tych algorytmów może prowadzić do znacznych oszczędności kosztów, poprawy efektywności energetycznej i zrnniej szenia wpływu na środowisko W systemach ciepłowniczych.

Słowa kluczowe

EN

heat storage; seasonal heat storage; municipal district heating plant

PL

magazynowanie ciepła; zasobnik sezonowy ciepła; miejski zakład ciepłowniczy

• Wydawca: KAPRINT
• Czasopismo: Rynek Energii
• Rocznik: 2024
• Tom: Nr 5
• Strony: 91--98
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., fig.

Twórcy

autor

Kurkus-Gruszecka Michalina

• Politechnika Warszawska

• https://orcid.org/0000-0003-0360-3803

autor

Krawczyk Piotr

• Politechnika Warszawska

• https://orcid.org/0009-0007-1670-2663

autor

Badyda Krzysztof

• Politechnika Warszawska

• https://orcid.org/0000-0002-8836-9579

Bibliografia

• [1]. G. Sadeghi, “Energy storage on demand: Thermal energy storage development, materials, design, and integration challenges,” Energy Storage Mater. , vol. 46, pp. 192—222, 2022.
• [2] G. Alva, Y. Lin, and G. Fang, “An overview of thermal energy storage systems,” Energy, vol. 144, pp. 341—378, 2018.
• [3] G. Alva, L. Liu, X. Huang, and G. Fang, “Thermal energy storage materials and systems for solar Energy applications,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 68, pp. 693—706, 2017.
• [4]. M. Lanahan and P. C. Tabares-Velasco, “Seasonal thermal-energy storage: A critical review on BTES systems, modeling, and system design for higher system efficiency,” Energies, vol. 10, no. 6, p. 743, 2017.
• [5] A. Lyden, C. S. Brown, I. Kolo, G. Falcone, and D. Friedrich, “Seasonal thermal energy storage in smart Energy systems: District—level applications and modelling approaches,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 167, p. 112760, 2022.
• [6] I. Sarbu and C. Sebarchievici, “A comprehensive review of thermal energy storage,” Sustainability, vol. 10, no. 1, p. 191, 2018.
• [7] Q. Zhang, R. Banihabib, F. S. Fadnes, T. A. S. Sazon, N. Ahmed, and M. Assadi, “Techno-economic analysis of a biogas-fueled micro gas turbine cogeneration system with seasonal thermal energy storage,” Energy Convers. Manag, vol. 292, p. 117407, 2023.
• [8] M.-H. Kim, D.-W. Kim, D.-W. Lee, and J. Heo, “Energy conservation performance of a solar thermal and seasonal thermal energy storage-based renewable energy convergence system for glass greenhouses,” Case Stud. Therm. Eng., vol. 44, p. 102895, 2023.
• [9] K. Kubiński and Ł. Szabłowski, “Dynamic model of solar heating plant with seasonal thermal energy storage,” Renew. Energy, vol. 145, pp. 2025—2033, 2020.
• [10] W. Hua, X. LV, X. Zhang, Z. Ji, and J. Zhu, “Research progress of seasonal thermal energy storage technology based on supercooled phase change materials,” J. Energy Storage, vol. 67, p. 107378, 2023.
• [11] A. Dahash, F. Ochs, M. B. Janetti, and W. Streicher, “Advances in seasonal thermal energy storage for solar district heating applications: A critical review on large-scale hot-water tank and pit thermal energy storage systems,” Appl. Energy, vol. 239, pp. 296—315, 2019.
• [12] S. K. Shah, L. Aye, and B. Rismanchi, “Seasonal thermal energy storage system for cold climate zones: A review of recent developments,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 97, pp. 38—49, 2018.
• [13] C. Bott, I. Dressel, and P. Bayer, “State-of-technology review of water—based closed seasonal thermal energy storage systems,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 113, p. 109241, 2019.
• [14] M. Fiorentini, P. Heer, and L. Baldini, “Design optimization of a district heating and cooling system with a borehole seasonal thermal energy storage,” Energy, vol. 262, p. 125464, 2023.
• [15] R. Bolton, L. Cameron, N. Kerr, M. Winskel, and T. Desguers, “Seasonal thermal energy storage as a complementary technology: Case study insights from Denmark and The Netherlands,” .I Energy Storage, vol. 73, p. 109249, 2023.
• [16] T. Yang, W. Liu, G. J. Kramer, and Q. Sun, “Seasonal thermal energy storage: A techno-economic literaturę review,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 139, p. 110732, 2021.
• [17] G. K. Dolgun, A. Kecebas, M. Ertfirk, and A. Dasdemir, “Optimal insulation of underground spherical tanks for seasonal thermal energy storage applications,” J Energy Storage, vol. 69, p. 107865, 2023.
• [18] Y. Zhou, C. Min, K. Wang, L. Xie, and Y. Fan, “Optimization of integrated energy systems considering seasonal thermal energy storage,” J Energy Storage, vol. 71, p. 108094, 2023.
• [19] A. Szczęśniak, J. Milewski, O. Dybiński, K. Futyma, J. Skibiński, and A. Martsinchyk, “Dynamic simulation of a four tank 200 m3 seasonal thermal energy storage system oriented to air conditioning at a dietary supplements factory,” Energy, vol. 264, p. 126106, 2023.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2025).