How Sizing of Thermal Energy Storage affects District Heating Networks and the Decarbonisation of Energy Demand substituting Peak Load with Base Load
- Titel
- How Sizing of Thermal Energy Storage affects District Heating Networks and the Decarbonisation of Energy Demand substituting Peak Load with Base Load
- Autor/in
- Datierung
- 25.08.2023
- Beschreibung
- Diese Arbeit widmet sich der Herausforderung, wie Wärmebedarf von Fernwärmenetzen dekarbonisiert werden kann. Ziel der Konzeptstudie ist es, den durch Spitzenlast gedeckten Energiebedarf durch weniger kohlenstoffintensive Wärme des Grundlastsystems zu substituieren. Die grundlegende Forschungsfrage lautet daher: Wie kann die Integration von thermischen Energiespeichern zur Dekarbonisierung von Fernwärmenetzen beitragen? Zwei mögliche Bewältigungsstrategien – Peak-Shaving und Load-Shifting – werden dazu untersucht und verglichen.
Zunächst wird ein Dimensionierungstool vorgestellt, womit das Leistungsverhältnis so angepasst werden kann, dass die Grundlast einen bestimmten Anteil des Energiebedarfs deckt. Auf der Grundlage eines Energiebilanzmodells wird anschliessend das Substitutionspotential für verschiedene Kapazitäten des thermischen Energiespeichers berechnet. Bei einem angenommenen Energiesplit von 80 % Grundlast und 20 % Spitzenlast und einer moderaten Substitution von weniger als 5 % führt das vorgeschlagene Load-Shifting zu einer deutlich geringeren Grösse des thermischen Energiespeichers im Vergleich zum Peak-Shaving-Ansatz. Es wird angenommen, dass dies auf die höheren (Ent-)Ladezyklen im Frühjahr und Herbst zurückzuführen ist, wenn die Nachfrage um die Grundlast-Nennleistung schwankt und die «Täler» helfen, die nachfolgenden «Spitzen» zu decken.
Im zweiten Teil der Arbeit wird die wirtschaftliche Analyse einer Systemkombination aus Biomasse zur Deckung der Grundlast und Erdgas für die Spitzenlast durchgeführt. Der Preisunterschied, der für die Substitution von 5 % des Energiebedarfs durch einen thermischen Pufferspeicher erforderlich ist, beträgt 0,07-0,10 EUR/kWh. Die Analyse der Kohlenstoffreduktion zeigt, dass diese Substitution einen Verstärkungsfaktor aufweist. Dieser drückt aus, wie viel mehr Kohlenstoff im Vergleich zur substituier-ten Energie eingespart wird. Der Verstärkungsfaktor hängt von den lokalen Standards ab und beträgt für die Schweiz 2,2 und für das Vereinigte Königreich 3,3.
In this dissertation, the challenge of how heating demand can be decarbonised is researched, focusing on district heating networks in particular. The aim of this concept design study is to substitute the energy demand met by peak load with the less carbon-intensive heat produced by base load systems. Thus, the fundamental research question is: How can the integration of thermal energy storage contribute to the decarbonisation of district heating networks? Two possible coping strategies – the peak shaving and the load shifting approach – are investigated and compared.
First, a sizing tool which helps to tailor the power ratio to meet a certain split of energy demand is introduced. Based on an energy balance model with fixed order control, the potential energy substitution for various capacities of the thermal energy storage is calculated. For an assumed energy split of 80% base load, 20% peak load, and for a moderate substitution below 5%, the proposed load shifting solution leads to a significantly smaller sized thermal energy storage compared to the peak shaving approach. This is assumed to originate from higher (dis)charging cycles during the spring and the autumn, when demand oscillates around the rated base load power and “valleys” help to cover subsequent “peaks”.
In the second part of this dissertation, the economic analysis of a system combination relying on biomass to cover base load and natural gas for peak load is carried out. The price difference needed for substitution of 5% of the energy demand using a tank thermal energy storage is found to amount to EUR 0.07–0.10/kWh (i.e., natural gas surpassing biomass). The carbon reduction analysis shows that this substitution results in an amplification factor which expresses how much more carbon is saved compared to energy substituted (both measured in percentages as compared to the original system). The amplification factor depends on local standards and was found to be 2.2 for Switzerland and 3.3 for the UK.
- Diese Arbeit widmet sich der Herausforderung, wie Wärmebedarf von Fernwärmenetzen dekarbonisiert werden kann. Ziel der Konzeptstudie ist es, den durch Spitzenlast gedeckten Energiebedarf durch weniger kohlenstoffintensive Wärme des Grundlastsystems zu substituieren. Die grundlegende Forschungsfrage lautet daher: Wie kann die Integration von thermischen Energiespeichern zur Dekarbonisierung von Fernwärmenetzen beitragen? Zwei mögliche Bewältigungsstrategien – Peak-Shaving und Load-Shifting – werden dazu untersucht und verglichen.
- Urheberrechtshinweis
- Mennel Stefan, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
HSLU
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
Werk
- Titel
- How Sizing of Thermal Energy Storage affects District Heating Networks and the Decarbonisation of Energy Demand substituting Peak Load with Base Load
- Beschreibung
- Diese Arbeit widmet sich der Herausforderung, wie Wärmebedarf von Fernwärmenetzen dekarbonisiert werden kann. Ziel der Konzeptstudie ist es, den durch Spitzenlast gedeckten Energiebedarf durch weniger kohlenstoffintensive Wärme des Grundlastsystems zu substituieren. Die grundlegende Forschungsfrage lautet daher: Wie kann die Integration von thermischen Energiespeichern zur Dekarbonisierung von Fernwärmenetzen beitragen? Zwei mögliche Bewältigungsstrategien – Peak-Shaving und Load-Shifting – werden dazu untersucht und verglichen.
Zunächst wird ein Dimensionierungstool vorgestellt, womit das Leistungsverhältnis so angepasst werden kann, dass die Grundlast einen bestimmten Anteil des Energiebedarfs deckt. Auf der Grundlage eines Energiebilanzmodells wird anschliessend das Substitutionspotential für verschiedene Kapazitäten des thermischen Energiespeichers berechnet. Bei einem angenommenen Energiesplit von 80 % Grundlast und 20 % Spitzenlast und einer moderaten Substitution von weniger als 5 % führt das vorgeschlagene Load-Shifting zu einer deutlich geringeren Grösse des thermischen Energiespeichers im Vergleich zum Peak-Shaving-Ansatz. Es wird angenommen, dass dies auf die höheren (Ent-)Ladezyklen im Frühjahr und Herbst zurückzuführen ist, wenn die Nachfrage um die Grundlast-Nennleistung schwankt und die «Täler» helfen, die nachfolgenden «Spitzen» zu decken.
Im zweiten Teil der Arbeit wird die wirtschaftliche Analyse einer Systemkombination aus Biomasse zur Deckung der Grundlast und Erdgas für die Spitzenlast durchgeführt. Der Preisunterschied, der für die Substitution von 5 % des Energiebedarfs durch einen thermischen Pufferspeicher erforderlich ist, beträgt 0,07-0,10 EUR/kWh. Die Analyse der Kohlenstoffreduktion zeigt, dass diese Substitution einen Verstärkungsfaktor aufweist. Dieser drückt aus, wie viel mehr Kohlenstoff im Vergleich zur substituier-ten Energie eingespart wird. Der Verstärkungsfaktor hängt von den lokalen Standards ab und beträgt für die Schweiz 2,2 und für das Vereinigte Königreich 3,3.
In this dissertation, the challenge of how heating demand can be decarbonised is researched, focusing on district heating networks in particular. The aim of this concept design study is to substitute the energy demand met by peak load with the less carbon-intensive heat produced by base load systems. Thus, the fundamental research question is: How can the integration of thermal energy storage contribute to the decarbonisation of district heating networks? Two possible coping strategies – the peak shaving and the load shifting approach – are investigated and compared.
First, a sizing tool which helps to tailor the power ratio to meet a certain split of energy demand is introduced. Based on an energy balance model with fixed order control, the potential energy substitution for various capacities of the thermal energy storage is calculated. For an assumed energy split of 80% base load, 20% peak load, and for a moderate substitution below 5%, the proposed load shifting solution leads to a significantly smaller sized thermal energy storage compared to the peak shaving approach. This is assumed to originate from higher (dis)charging cycles during the spring and the autumn, when demand oscillates around the rated base load power and “valleys” help to cover subsequent “peaks”.
In the second part of this dissertation, the economic analysis of a system combination relying on biomass to cover base load and natural gas for peak load is carried out. The price difference needed for substitution of 5% of the energy demand using a tank thermal energy storage is found to amount to EUR 0.07–0.10/kWh (i.e., natural gas surpassing biomass). The carbon reduction analysis shows that this substitution results in an amplification factor which expresses how much more carbon is saved compared to energy substituted (both measured in percentages as compared to the original system). The amplification factor depends on local standards and was found to be 2.2 for Switzerland and 3.3 for the UK.
- Diese Arbeit widmet sich der Herausforderung, wie Wärmebedarf von Fernwärmenetzen dekarbonisiert werden kann. Ziel der Konzeptstudie ist es, den durch Spitzenlast gedeckten Energiebedarf durch weniger kohlenstoffintensive Wärme des Grundlastsystems zu substituieren. Die grundlegende Forschungsfrage lautet daher: Wie kann die Integration von thermischen Energiespeichern zur Dekarbonisierung von Fernwärmenetzen beitragen? Zwei mögliche Bewältigungsstrategien – Peak-Shaving und Load-Shifting – werden dazu untersucht und verglichen.
- Autor/in
- Datierung
- 25.08.2023
- Format
- 52 Seiten
- Ort
- Sprache
Rechte
- Urheberrecht
- Mennel Stefan, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Hinweis zu Rechtsgrundlagen
- Lizenzierung
- Klassifikation