Seasonal thermal energy storage for district heating

Abstract

Climate change raises question of concerns about ways to reduce carbon dioxide emissions in the industrial environment, specifically in heat production. The use of waste heat from industrial facilities and renewable energy sources in district heat (DH) production helps to reduce CO2 emissions and the dependence on fossil fuels. This can be done through the integration of the thermal energy storage (TES) into the DH system. Apart from that, the combination of heat production for DH with seasonal TES (STES) increases the profitability of the co-generated heat production.

The purpose of this thesis is to make a literature review for building knowledge and data-base about the different types of STES, for comparing their technical and financial fea-tures. Another aim is to model the DH system of Espoo with and without STES in the EnergyPRO -software to analyse the total costs of heat production for STES.

The literature was reviewed and the technical and financial aspects of different types of STES were reported and compared with each other. The literature review showed that in recent years underground STESs (UTRES) have been actively investigated and implemented with different projects of the European Union, such as SUNSTORE, EINSTEIN and ECES Annex 12. However, the implemented UTES are incompletely reported. It is especially rare for one source to provide complete information about UTES.

The DH system without and with sensible TES was modelled and in the EnergyPRO. The simulations of the TES as a short-term storage show that integrating TES into the DH sys-tem of Espoo is most profitable, when storage is a borehole TES with a volume of 150,000 m3w.e,if it is used with a heat pump (HP). The prices for the heat production in the system with TES only do not differ significantly from each other and are highest, than for the system with TES and HP. The variation of the discount rate of TES and HP annuity does not affect significantly on the heat production costs. The impact of the CO2 emissions prices on the heat production costs are considerable and made integration of TES in DH unprofitable, when emissions prices are high.

The results are approximate and only show if the integration of TES into DH is profitable or not. Hereby, the hydrogeological pre-investigations of TES site and modelling of real integration of TES into the DH system with the possible HPs, buffer storage and circula-tion pumps are necessary. In addition, the investigation and modelling how TES can be integrated in the DH system as well as with additional equipment is to be done.

Nopeat ilmastonmuutokset pakottavat käyttämään fossiilisia polttoaineita tehokkaammin ja tuottamaan energiaa uusiutuvista polttoaineista. Pitkäaikaisen lämpövaraston integrointi kaukolämpötuotantoon mahdollistaa teollisuuden prosesseista vapautuvan ylijäämälämmön sekä uusiutuvista energialähteistä tuotetun lämmön hyödyntämisen ja näin vähentää hiilidioksidipäästöjä. Lämpöenergian varastointi tekee energian tuotannon CHP voimalaitoksissa tehokkaammaksi ja tuottavammaksi kausivaihtelun vajaakäytön tehostuessa.

Tämän työn tarkoituksena on tehdä kirjallisuuskatsaus tutkimuksia ja simulointia varten. Tutkimuksissa kootaan ja vertaillaan eri varastotyyppien teknisiä ja taloudellisia ominaisuuksia. Niiden pohjalta mallinnetaan Espoon kaukolämpöverkko lämpövaraston kanssa ja ilman sitä. Simulointitulosten pohjalta lasketaan ja analysoidaan, miten lämmönvarastointi vaikuttaa lämmöntuotantokustannuksiin.

Kirjallisuuskatsaus osoittaa, että viimeaikoina toteutettujen pitkäaikaisten lämpövarastojen määrä kasvaa. Varastot ovat toteutettu muun muassa SUNSTORE, EINSTEIN ja ECES Annex 12 projektien yhteydessä. Toteutettujen projektien raportit eivät tuota tarpeeksi laajaa katsausta lämpövarastojen teknisistä ja taloudellisista ominaisuuksista. Harvoin yksi raportti sisältää täydellisen tiedon lämpövaraston teknisistä ja taloudellisista ominaisuuksista.

Espoon kaukolämmön tuotantoverkko lämpövaraston kanssa ja ilman sitä on rakennettu EnergyPRO -ohjelmassa. Tehdyt analyysit osoittavat, että matalimmat lämpötuotantokustannukset tuottaa lämmönvarastointi porareikävarastossa, jonka tilavuus on 150 000 m3 vesiekvivalenttia. Lämpötuotantokustannukset eivät riipu merkittävästi lämpövaraston tyypistä, jos se on integroitu ilman lämpöpumppua.

Varaston ja lämpöpumpun annuiteetin diskonttokorko ei vaikuttaa merkitsevästi lämpötuotantokustannuksiin. Hiilidioksidipäästöjen hintojen vaikutus lämpötuotantokustannuksiin on merkitsevä ja osoittaa, ettei lämpövaraton integrointi kaukolämpöjärjestelmään ole kannattava, kun hinnat ovat korkeita.

Lopputulokset ovat suuntaa-antavia. Todellisen lämpövaraston tulevan paikan geologiset esitutkimukset, joista saadaan tarkat termofysikaaliset maan ominaisuudet, on tehtävä. Lisäksi on tutkittava ja mallinnettava, miten lämpövarasto voidaan integroida kaukolämpösysteemiin, kuten mahdolliset lämpöpumput, lämpöakut ja vesikiertopumput.