Future district energy systems

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2016-12-12
Department
Major/Subject
Energiteknik
Mcode
K3007
Degree programme
Energia- ja LVI-tekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
73+3
Series
Abstract
In order to mitigate climate change, the energy systems need to change. Fossil fuels need to be replaced by various low carbon energy sources, the energy consumption need to be reduced and the efficiency of the whole system needs to be improved. However, the energy systems are complex and there is not a single right solution for how to meet these requirements. In this thesis, a scenario approach was used to investigate the outcome of different energy system selections. The thesis is a combination of a literature review and a simulation case study. In the literature review, different development pathways for district energy systems and methods for developing and evaluating scenarios were reviewed. Based on these results, three scenarios for the development of the district energy system in Keski-Uusimaa area were made. The timeframe of the scenarios was 20 years, starting in 2015 and ending in 2035. In the scenarios, a common assumption for the development of the building stock was used while the deployment rates of decentralized heating technologies varied. The heating technologies were restricted to district heating, ground source heat pumps and solar thermal collectors. In order to examine how the heat demand in the area developed over the scenario timeframe, the scenarios were simulated using a dynamic simulation model of the area. The outcomes were compared using different technical, environmental, economic and social criteria. According to the results of the case study, the scenario with the lowest deployment rate of decentralised heating technologies was ranked best. However, the differences between the scenarios were in general quite small. Only in the case of the investment costs, the outcome of the best-ranked scenario was significantly better than the outcome of the other scenarios, having a huge effect on the scenario ranking. In the process of developing and comparing scenarios, numerous decisions and assumptions were made. As a consequence, the detailed results were strongly dependent on the chosen parameters. Therefore, the main contribution of the thesis lies in the method used to analyse the energy systems.

För att vi skall lyckas i vår strävan efter att mildra klimatförändringen, måste våra energisystem förändras. Fossila bränslen måste ersättas med bränslen som har låga koldioxidutsläpp, energikonsumtionen måste minska och hela systemets energieffektivitet måste förbättras. Energisystemet är trots allt komplexa och det finns ingen unik lösning för hur man ska kunna uppnå dessa mål. I detta diplomarbete används scenarion som metod för att undersöka följderna av olika val av energisystem. Arbetet är en kombination av en litteraturunderökning och en fallstudie. I litte-raturundersökningen undersöktes olika utvecklingsalternativ för lokala energisystem och olika metoder för utvecklande och utvärdering av scenarion. Baserat på de här resultaten utarbetades tre scenarion för hur det befintliga energisystemet i mellersta Nyland kunde komma att utvecklas. Tidsramen för scenariona var 20 år, med start 2015 och slut 2035. Scenariona var baserade på ett gemensamt antagande för utvecklingen av fastighetsbeståndet i området medan användningsgraden av decentraliserade värmeproduktionsteknologier varierade. De teknologier som togs i beaktande var begränsade till fjärrvärme, bergsvärme och solfångare. För att undersöka hur efterfrågan på värme i området utvecklades över tidsramen för scenariot, simulerades scenariona med hjälp av en dynamisk simuleringsmodell. Resultaten jämfördes med varandra med hjälp av olika tekniska, miljöbetingade, ekonomiska och sociala kriterier. I fallstudien rankades scenariot med den lägsta användningsgraden av decentraliserade värmeproduktionsteknologier som det bästa alternativet. Hursomhelst, skillnaderna mellan scenariona var i allmänhet mycket små. Endast ifråga om investeringskostnader var resultatet av det bästa scenariot markant bättre än de övriga scenariona, vilket också hade en stor inverkan på den slutgiltiga rankingen. I den process där scenariona utvecklades och jämfördes gjordes många olika beslut och antaganden. Som en följd av detta, var resultaten mycket beroende av de valda parametrarna. Därför ligger värdet i detta arbete huvudsakligen i den metod som utvecklats för att analysera energisystemen.

Energiajärjestelmien täytyy muuttua, jotta pystytään hillitsemään ilmastonmuutosta. Fossiiliset polttoaineet on korvattava matalahiilidioksidipäästöisillä polttoaineilla, energiankulutusta täytyy vähentää ja energiajärjestelmien energiatehokkuutta täytyy parantaa. Energiajärjestelmät ovat kuitenkin monimutkaisia ja tavoitteiden saavuttamiseen on olemassa useita eri vaihtoehtoja. Tässä työssä on hyödynnetty skenaariolähestymistapaa eri energiajärjestelmävaihtoehtojen tarkastelussa. Työ on kirjallisuuskatsauksen ja tapaustutkimuksen yhdistelmä. Kirjallisuuskatsauksessa tarkasteltiin erilaisia kehityssuuntia alueellisille energiajärjestelmille ja erilaisten skenaarioiden kehitys- ja arviointimenetelmiä. Tulosten perusteella kehitettiin kolme vaihtoehtoisia skenaarioita Keski-Uudenmaan energiajärjestelmän kehittämiseen. Skenaariot laskettiin 20 vuoden aikajänteelle alkaen vuodesta 2015 ja päättyen vuoteen 2035. Skenaariotarkastelua varten oletettiin rakennuskannan kehitys vakioiksi ja muuttuvana tekijänä oli hajautettujen energiamuotojen käyttöaste. Lämmöntuotantovaihtoehdot olivat kaukolämpö, maalämpö sekä aurinkokeräimet. Jotta pystyttiin tutkimaan, miten energiantarve kehittyi alueellisesti määrätyllä aikavälillä, skenaarioita simuloitiin alueellisesti dynaamisella simulointiohjelmalla. Tuloksia vertailtiin käyttämällä erilaisia teknisiä, ympäristöllisiä, taloudellisia ja sosiaalisia kriteerejä. Skenaariotarkastelujen tulosten perusteella, se skenaario missä hajautettujen energiamuotojen käyttöaste oli pienin, arvioitiin parhaaksi vaihtoehdoksi. Skenaarioiden erot olivat kuitenkin aika pieniä. Ainoastaan investointikustannusten tapauksessa, parhaan skenaarion tulos oli huomattavasti parempi kuin muiden skenaarioiden tulokset ja tällä oli suuri vaikutus skenaarioiden loppuluokitukseen. Skenaarioiden kehittämis-, simulointi- ja arviointiprosessin aikana tehtiin lukuisia oletuksia ja päätöksiä. Tästä johtuen lopputulokset ovat vahvasti riippuvaisia valituista parametreista. Näin ollen energiajärjestelmien analysointiin kehitetty menetelmä on tärkeässä roolissa skenaarioiden arvioinnissa.
Description
Supervisor
Syri, Sanna
Thesis advisor
Heimonen, Ismo
Keywords
district energy systems, energy system transition, scenarios, dynamic simulation, end user engagement, criteria
Other note
Citation