System modeling and pre-feasibility analysis of local low temperature hybrid energy system

Thumbnail Image

Files

master_Heikari_Lassi_2019.pdf (6.94 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2019-08-19

Department

Major/Subject

Sustainable Energy in Buildings and Built Environment

Mcode

ENG3068

Degree programme

Master's Programme in Advanced Energy Solutions (AAE)

Language

en

Pages

94 + 13

Series

Abstract

Due to the climate change, CO2 emissions has to be lowered also in building sector as buildings cover a large share of total final energy consumption. Sun is a significant and emission free energy source and thus it is appropriate solution to replace CO2-intensive fossil fuels in heating energy production. In Nordic countries such as Finland the seasonal mismatch between solar energy availability and heating energy demand is drastic and thus seasonal thermal energy storage is needed to utilize solar energy to heat the buildings in winter time. The main objective of this study was to find a feasible and cost-optimal low temperature local heating solution based on solar energy for a residential district. The aim of the local hybrid energy system was to cover a part of total heating demand, and the rest of the load was covered with district heat. Solar energy utilization was based on electricity generation with photovoltaic panels and running heat pumps using that electricity. Thermal energy was stored to the borehole thermal energy storage and discharged in winter to heat the residential buildings. Research method was combined simulation and optimization. First the local hybrid energy system was modeled, and then simulated and optimized to maximize the system performance and minimize costs using genetic algorithm. Rooftop area for photovoltaic panels was noticed to be most limiting issue to achieve high renewable energy fraction in residential area consisting of apartment buildings. In optimal solutions, 37 % - 54 % of total heating energy demand of the buildings can be covered with on-site produced energy with LCOE 110 – 184 €/MWh. Increasing utilization rate of the heat pumps using grid electricity in addition to PV electricity, 41 % - 88 % share of on-site energy of total heating demand can be achieved with LCOE 108 – 201 €/MWh. 200 – 600 MWh of district heat demand can be decreased during peak demand by using on-site energy. CO2 emissions can be lowered 100 – 215 tons annually with studied system in comparison to situation where 100 % of heating demand is covered with district heat. Cost of on-site produced energy is higher than district heat prices, but if the aim is to lower CO2 emissions and decentralize heating energy production, this local hybrid energy system is potential solution to develop further. Increasing share of on-site energy by running heat pumps with electricity imported from the grid might be feasible but it depends on electricity costs, CO2 emissions of grid electricity and operation principle of the system.

Rakennusten hiilidioksidipäästöjä on vähennettävä ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi, sillä rakennusten osuus energian loppukulutuksesta on huomattava. Aurinko on merkittävä ja päästövapaa energianlähde, joten aurinkoenergia on hyvä vaihtoehto korvaamaan fossiilisia polttoaineita lämmöntuotannossa. Pohjoisissa olosuhteissa aurinkoenergian saatavuuden ja rakennusten lämmitystarpeen välillä on erittäin suuri ero, joten lämpöenergian kausivarastointi on tärkeässä asemassa, kun aurinkoenergiaa halutaan hyödyntää rakennusten lämmitykseen talvella. Tutkimuksen tavoitteena oli löytää kerrostaloalueelle toteuttamiskelpoinen ja kustannusoptimaalinen aurinkoenergiaan perustuva toimiva hybridienergiajärjestelmä. Alueellisen energiajärjestelmän tarkoituksena oli tuottaa osa asuinrakennusten tarvitsemasta lämmitysenergiasta, ja loppuosa katettiin kaukolämmöllä. Aurinkoenergian hyödyntäminen perustui aurinkopaneeleilla tuotettuun sähköenergiaan, jolla käytettiin lämpöpumppuja. Tuotettu lämpöenergia varastoitiin porareikävarastoon, josta sitä purettiin lämmityskaudella asuinrakennusten lämmitykseen. Tutkimus toteutettiin simuloimalla ja optimoimalla. Aurinkopaneeleiden asennukseen käytettävissä oleva kattopinta-ala huomattiin merkittävimmäksi rajoittavaksi tekijäksi saavuttaa korkea omavaraisuusaste kerrostaloalueen lämmöntuotannossa. Optimaalisilla ratkaisuilla 37 % - 54 % alueen lämmitysenergiantarpeesta voitiin kattaa alueella tuotetulla energialla. Alueella tuotetun energian hinta (LCOE) oli 110 – 184 €/MWh. Huipputehontarpeiden aikana ostetun kaukolämmön tarvetta on mahdollista vähentää 200 – 600 MWh käyttämällä mahdollisimman paljon alueella tuotettua energiaa. Vuosittaisia hiilidioksidipäästöjä on mahdollista vähentää tutkitulla järjestelmällä 100 – 215 tonnia. Alueella tuotetun energian hinta on korkeampi verrattuna kaukolämmön hintaan, mutta mikäli tarkoituksena on vähentää hiilidioksidipäästöjä ja hajauttaa lämmitysenergiantuotantoa, tällainen alueellinen hybridienergiajärjestelmä on potentiaalinen ratkaisu jatkokehitykseen. Alueella tuotetun energian määrää on mahdollista nostaa käyttämällä verkkosähköä lämpöpumpuille, sillä lämpöenergian omavaraisuusasteeksi saatiin 41 – 88 % LCOE:n ollessa 108 – 201 €/MWh. Tällaisen ratkaisun kannattavuus ja järkevyys riippuu sähkön hinnasta, hiilidioksidipäästöistä ja järjestelmän toimintaperiaatteesta.

Description

Supervisor

Virtanen, Markku J.

Thesis advisor

Hirvonen, Janne P.

Keywords

borehole thermal energy storage, heat pump, pre-feasibility analysis, seasonal thermal energy storage, solar district heating, system modeling

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201908254888

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG