Cost-optimal implementation of district heating and cooling to an existing community

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Kuivala, Jussi-Pekka
dc.contributor.author Makkonen, Samuel
dc.date.accessioned 2017-07-04T06:30:33Z
dc.date.available 2017-07-04T06:30:33Z
dc.date.issued 2017-06-12
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/27071
dc.description.abstract Space heating and cooling account for approximately 50% of the final energy consumption in Europe and 75% of it is produced with fossil fuels. Due to the depletion of the fossil fuels, increasing fossil fuel price trend and relatively high price volatility combined with high amount of wasted heat energy, the current heating and cooling system is currently at unsustainable basis from both economic and environmental perspectives. Due to their ability to reduce costs and emissions, improve the energy efficiency and include various local resources to the energy mix, district heating and cooling have been proposed as a potential energy supplying method to create a more sustainable and cost-efficient heating and cooling system. Even though the district energy systems are considered beneficial from many perspectives, their market share is currently relatively low and may increase as the heating and cooling systems are renewed throughout Europe. In this study, a simulation-based optimization model in implementation of district heating and cooling to an existing region is proposed by using a community located in Southern United Kingdom as an example. The aim of the simulation-based optimization process is to determine the proper production technologies and their capacities to minimize the life-cycle costs in the implementation. The software used for simulations is EnergyPro 4.4. by EMD International A/S. The technological performance and cost data concerning the production units is based on the actual realized costs in recent, similar projects in the same region. The fuel, electricity and emission cost data is based on the predictions by the United Kingdom Department of Energy and Climate Change with the effect of various energy price scenarios considered in the study. The demand data is based on the information received from the local authorities with the supply losses considered in the estimates. The results show that from cooling perspective, in the examined community the cost-optimal solution is to utilize electric chillers and free cooling with sea water as its cool source for cooling production. From heating perspective, the results show that the cost-efficiency of renewable alternatives is based on subsidies and emission taxation. If only the explicit costs are acknowledged, the cost-optimal system utilizing fossil fuels yields 75% lower total life-cycle costs than the cost-optimized low-carbon alternatives. However, if the additional costs and subsidies caused by governmental policies are included, renewable alternatives become more cost-effective. The results also show that both cold and hot thermal storages are included in the cost-optimal configuration in all scenarios. Due to subsidies for renewable heat, also maximizing the area of the solar thermal plant is cost-optimal solution in all scenarios. en
dc.description.abstract Asuntojen lämmitys ja jäähdytys vastaavat noin 50 % Euroopan kokonaisenergiankulutuksesta, ja 75 % tästä energiasta on tuotettu käyttäen fossiilisia polttoaineita. Fossiilisten polttoaineiden loppumisen, nousevan hintatrendin ja verrattain korkean hintojen epävakaisuuden sekä lämpöhäviöiden suuren määrän vuoksi, nykyisiä lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmiä voidaan pitää kestämättöminä sekä taloudellissa mielessä että ympäristönäkökulmasta. Koska kaukolämmön ja -jäähdytyksen avulla kustannus- ja energiatehokkuutta voidaan parantaa, päästöjä vähentää ja paikallisten energialähteiden käyttöä lisätä, sitä on pidetty mahdollisena keinona kestävämmän ja kustannustehokkaamman lämmitysjärjestelmän luomisessa. Vaikka kaukolämpöä ja -jäähdytystä voidaan pitää monessa suhteessa suositeltavana vaihtoehtona, sen markkinaosuus on varsin matala ja se saattaa kasvaa, kun lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmiä uusitaan Euroopassa. Tässä tutkimuksessa esitetään simulaatioon perustuva optimointimenetelmä kaukolämmityksen ja -jäähdytyksen käyttöönoton kustannusoptimointiin olemassaolevalla asuinalueella. Optimointimenetelmä esitellään Yhdistyneen kuningaskunnan eteläisessä osassa sijaitsevan alueen avulla. Esiteltävän optimointiprosessin tavoitteena on löytää ne energiantuotantoteknologiat sekä näiden teknologioiden tuotantokapasiteetit, jotka minimoivat järjestelmän elinkaarikustannukset. Simulaatioihin käytetään EMD International A/S:n EnergyPro 4.4. -ohjelmaa. Tuotantolaitosten energiantuotantoon ja kustannuksiin liittyvä data perustuu samalla alueella tehtyjen viimeaikaisten projektien toteutuneisiin kustannuksiin. Sähkön, polttoaineiden ja päästöjen kustannusdata perustuu Yhdistyneen kuningaskunnan energia- ja ilmastonmuutosministeriön kustannusennusteisiin, joiden eri hintaskenaarioiden vaikutuksia työn lopputuloksiin verrataan. Energian kysyntädata perustuu paikallisilta viranomaisilta saatuun tietoon, ja kysynnässä on otettu huomioon lämpö- ja jäähdytysverkon lämpöhäviöt. Tutkimuksen lopputulokset näyttävät, että tutkitulla alueella kustannustehokkain jäähdytysjärjestelmä perustuu jäähdytyksen tuotantoon sähkölämpöpumpuilla ja vapaajäähdytyksellä, joka käyttää merivettä kylmänlähteenään. Lämmitysjärjestelmään liittyvät tulokset puolestaan osoittavat, että uusiutuvien energiamuotojen kustannustehokkuus perustuu erittäin pitkälti uusiutuvan energian tukiin ja päästöverotukseen. Mikäli tuet ja verot jätettäisiin tarkastelun ulkopuolelle, täysin fossiilisiin polttoaineisiin perustuva järjestelmä olisi elinkaarikustannuksiltaa 75 % edullisempi kuin kustannusoptimoitu matalapäästöisempi järjestelmä. Toisaalta, mikäli uusiutuvan energian tuet ja päästöverotus huomioidaan, uusiutuvat järjestelmät ovat fossiilisia polttoaineita käyttäviä järjestelmiä kustannustehokkaampia. Lämpö- ja kylmäakut ovat kustannustehokkaita kaikissa tutkituissa tapauksissa. Uusiutuvan energian tukien myötä myös aurinkolämpö on kustannustehokas ratkaisu kaikissa tapauksissa. fi
dc.format.extent 97+11
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.title Cost-optimal implementation of district heating and cooling to an existing community en
dc.title Kustannustehokkaat kaukolämpö ja -jäähdytysratkaisut olemassa olevalla asuinaluella fi
dc.type G2 Pro gradu, diplomityö fi
dc.contributor.school Insinööritieteiden korkeakoulu fi
dc.subject.keyword district heating and cooling en
dc.subject.keyword life-cycle costs en
dc.subject.keyword optimization en
dc.subject.keyword energy simulation en
dc.identifier.urn URN:NBN:fi:aalto-201707045968
dc.programme.major Energiatekniikka fi
dc.programme.mcode K3007 fi
dc.type.ontasot Master's thesis en
dc.type.ontasot Diplomityö fi
dc.contributor.supervisor Lahdelma, Risto
dc.programme Energia- ja LVI-tekniikan koulutusohjelma fi
dc.ethesisid Aalto 9337
dc.location P1


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account