Techno-economic Assessment of Thermal Energy Storage in Urban District Heating Applications

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2023-08-21
Department
Major/Subject
Energy Systems and Markets
Mcode
ELEC3048
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Language
en
Pages
93 + 3
Series
Abstract
District heating (DH) is shifting from carbon-intensive energy sources towards intermittent renewable energy sources. The industry-wide shift drives the strategic priority of Helen, the largest DH producer in Finland, to decarbonize its DH operations. Nevertheless, the successful realization of this objective mandates significant investments in novel production technologies and solutions within the foreseeable future. Thermal energy storage (TES) has emerged as a crucial solution for effective decarbonization. This thesis focuses on evaluating the urban suitability of TES in the context of Helsinki district heating network (DHN). Latest techno-economic aspects, key urban and DH criteria of TES were assessed with a literature review. Using the findings from the literature, mixed-integer linear programming (MILP) simulation scenarios were created for the Helsinki DHN in the year 2030, incorporating cavern thermal energy storage (CTES), water-based tank thermal storage (TTES), and sand-based TTES. The simulations aimed to evaluate the performance of these technologies when integrated into the system as only system integration discloses the accurate techno-economic performance of TES. Based on the modelling results and evaluation of key financial parameters, the optimal TES power size segment of 200 MWth was identified. Even in a highly decarbonized DH scheme, the results demonstrate yearly emissions reductions of 8–27 kt CO2-eq with TES integration. Furthermore, a return on investment (ROI) between 8.9–14.4% can be achieved. The most promising solutions provide a production corresponding 3.4–7.0% of the annual DH demand of Helsinki, or respectively 233–486 GWh. To assess the impact of variations in key input parameters, a sensitivity analysis was conducted. Commodity pricing has the most pronounced impact on the investment profitability and is the sole sensitized parameter that makes most TES investments clearly unfeasible. Ultimately, non-pressurized TTES and pressurized CTES emerge as the most techno-economically feasible solutions in a Nordic urban DH setting. The thesis identified barriers that hinder TES adoption and proposed recommendations to overcome them. In addition, several challenges and details are identified that need further consideration before any TES investment decision.

Kaukolämpöala siirtyy fossiilipohjaisista järjestelmistä kohti vaihtelevan tuotannon uusiutuvia energialähteitä. Tämä koko toimialaa koskeva muutos ajaa Helenin, Suomen suurimman kaukolämmön tuottajan, strategista painopistettä päästöjen vähentämiseen kaukolämmön tuotannossaan. Tavoitteen saavuttaminen edellyttää merkittäviä investointeja uusiin tuotantoteknologioihin ja ratkaisuihin lähitulevaisuudessa. Lämpöenergian varastointi on noussut keskeiseksi ratkaisuksi tehokkaalle hiilidioksidipäästöjen vähentämiselle. Diplomityössä arvioitiin lämpövarastojen sopivuutta osana Helsingin kaukolämpöverkkoa. Viimeisimmät teknistaloudelliset kehitysaskeleet sekä lämmön varastoinnin keskeiset kaupunki- ja kaukolämpökriteerit arvioitiin osana kirjallisuuskatsausta. Kirjallisuuskatsauksen tuloksia hyödyntäen luotiin lineaarisia sekalukuoptimointitapauksia (MILP) vuoden 2030 Helsingin kaukolämpöverkolle. Tapausten lämmönvarastointiteknologioihin valikoitui luola-, vesisäiliö- sekä hiekkasäiliölämpövarasto. Simulaatioiden tavoitteena oli arvioida teknologioiden suorituskykyä järjestelmään integroituna, koska vain järjestelmäintegraatio määrittelee lämpövaraston todenmukaisen suorituskyvyn. Mallinnustulosten ja keskeisten taloudellisten muuttujien arvioinnin perusteella tunnistettiin lämpövaraston optimaaliseksi tehokokoluokaksi 200 MWth. Tulokset osoittavat, että lämpövaraston toteutuksella voidaan saavuttaa vuotuisia päästövähennyksiä 8–27 kt CO2-ekv jopa erittäin vähäpäästöisessä kaukolämpöjärjestelmässä. Lisäksi voidaan saavuttaa 8.9–14.4 %:n sijoitetun pääoman tuottoaste. Lupaavimmat ratkaisut kattavat 3.4–7.0 % Helsingin vuosittaisesta kaukolämmön kysynnästä eli 233–486 GWh. Keskeisten muuttujien vaihtelun vaikutusten arvioimiseksi suoritettiin herkkyysanalyysi. Hyödykkeiden hinnoittelu vaikuttaa eniten investoinnin kannattavuuteen ja on ainoa herkkyytetty muuttuja, joka tekee suurimman osan investoinneista selvästi taloudellisesti kannattamattomiksi. Paineistamaton säiliölämpövarasto ja paineistettu luolalämpövarasto ovat toteuttamiskelpoisimpia ratkaisuja pohjoismaisen kaupunkiympäristön kaukolämpöverkossa. Työssä tunnistettiin lämpövarastojen käyttöönottoon liittyviä haasteita ja esitettiin suosituksia niiden voittamiseksi. Lisäksi käsiteltiin yksityiskohtia, jotka vaativat tarkempaa harkintaa ennen varastoinvestointipäätöksen tekemistä.
Description
Supervisor
Santasalo-Aarnio, Annukka
Thesis advisor
Korhonen, Laura
Keywords
thermal energy storage, district heating, power-to-heat, techno-economic assessment, MILP, urban environment
Other note
Citation