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Techno-Economic Evaluation of PIT Storage for Flexible Power-to-Heat and Seasonal Energy Supply

Mariana Ciriani

Titel

Techno-Economic Evaluation of PIT Storage for Flexible Power-to-Heat and Seasonal Energy Supply

Autor/in

Datierung

05.01.2026

Beschreibung

Diese Arbeit bewertet die techno-ökonomische Leistung von Pit Thermal Energy Storage (PTES) in Verbindung mit einer großtechnischen Wärmepumpe (HP) und einem Elektrokessel (EB) für die saisonale Wärmeversorgung und den flexiblen Power-to-Heat (P2H)-Betrieb in Schweizer Fernwärmesystemen. Anhand eines simulationsbasierten Modells, das auf realen Betriebsdaten und Strommarktpreisen der CKW AG basiert, wird das Systemverhalten unter verschiedenen Komponentenauslegungen, Speichervolumina und Marktbedingungen bewertet. Die Analyse konzentriert sich auf wichtige Leistungsindikatoren wie die Levelized Cost of Heat (LCOH), die Internal Rate of Return (IRR) und die einfache Amortisationsdauer (PP). Die Ergebnisse zeigen, dass PTES eine kostengünstige saisonale Wärmespeicherung ermöglicht, wobei optimale Konfigurationen LCOH-Werte im Bereich von etwa 56–60 EUR/MWh erreichen. Die Einbeziehung von P2H hat zwar nur einen marginalen Einfluss auf die Wärmekosten, verbessert jedoch die Investitionsleistung erheblich, indem sie flexibilitätsbezogene Einnahmen generiert und die IRR im Vergleich zu Systemen ohne P2H um bis zu etwa fünf Prozentpunkte erhöht. Insgesamt unterstreichen die Ergebnisse die komplementären Rollen von PTES und P2H: PTES trägt in erster Linie durch saisonale Lastverschiebung zur Senkung der Heizkosten bei, während P2H die wirtschaftliche Leistung durch die Bereitstellung von Netzflexibilität unter geeigneten Marktbedingungen verbessert.

This thesis evaluates the techno-economic performance of Pit Thermal Energy Storage (PTES) integrated with a large-scale heat pump (HP) and an electric boiler (EB) for seasonal heat supply and flexible Power-to-Heat (P2H) operation in Swiss district heating systems. A simulation-based model is developed using real operational data and electricity market prices provided by CKW AG to assess system behavior under varying component sizing, storage volumes, and market conditions.The analysis focuses on key performance indicators, including the Levelized Cost of Heat (LCOH), Internal Rate of Return (IRR), and simple Payback Period (PP). Results show that PTES enables cost-effective seasonal thermal storage, with optimal configurations achieving LCOH values in the range of approximately 56–60 EUR/MWh. While the inclusion of P2H has only a marginal effect on heat costs, it substantially improves investment performance by generating flexibility-related revenues, increasing the IRR by up to approximately five percentage points compared to systems without P2H. Overall, the results highlight the complementary roles of PTES and P2H: PTES primarily contributes to heat cost reduction through seasonal load shifting, whereas P2H enhances economic performance by providing grid flexibility under suitable market conditions.

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