Title The impact of district heating and cooling on the penetration of intermittent renewable energy sources in moderate and Mediterranean climates Title (croatian) Utjecaj sustava centraliziranog grijanja i hlađenja na penetraciju obnovljivih intermitentnih izvora energije u umjerenim i mediteranskim klimama Author Tomislav Novosel Mentor Neven Duić (mentor)Committee member Tomislav Pukšec (predsjednik povjerenstva)Committee member Julije Domac (član povjerenstva)Committee member Kristina Lygnerud Granter University of Zagreb Defense date and country 2023-06-26, Croatia Scientific / art field, TECHNICAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 621 - Mechanical engineering. Nuclear technology. Machinery 620 - Materials testing. Power stations. Economics of energy Abstract The European Union has set an ambitious goal of a total or at least near-total decarbonisation
until 2050. Buildings represent the single largest contributor of greenhouse gases and are the
largest single energy consumer across the continent. As more and more people move into
densely populated urban areas, the sustainable supply of energy for space heating, cooling and
the production of domestic hot water will become an ever-increasing issue. District heating and
cooling systems present themselves as an ideal solution in this process as they enable the
production and utilization of renewable and waste energy at locations where they are available
as well as their distribution to the locations where they are need at high energy densities. They
also allow for increased flexibility in terms of production technologies and energy sources as
the majority of the system and the associated costs are linked to the distribution side which
consists of hot water pipes and systems of distributing the water. Finally the utilization of
district heating and cooling systems in a combination with power to heat and heat storage
technologies can lock the potential to increase the overall energy systems flexibility and in turn,
increase its capacity to utilize intermittent renewable electricity sources.
The main objective of this doctoral thesis is the assessment and quantification of the impact of
district heating and district heating and cooling on the potential for the utilization of intermittent
renewables in moderate and Mediterranean climates. The hypothesis of the thesis is that a high
share of district heating and district heating and cooling in a combination with power to heat
and heat storage can have a significant and positive impact on the potential of the energy system
as a whole to integrate more intermittent renewables into its electricity generation without
generating excessive critical excess of electricity in Europe’s continental and Mediterranean
climates. The doctoral thesis is based on six papers, four of which have been published in high
impact factor CC journals, one in a Q2 journal and one conference paper.
The presented results have confirmed the proposed hypothesis. As seen in the results of the
thesis, systems with a high share of district heating and cooling could easily absorb 4.000 MW
of wind and 4.000 MW of PV which would produce upwards of 17,13 TWh of electricity, or
roughly 73% of the total electricity demand (including the additional demand from heat
generation through heat pumps and electric boilers), with roughly 5% critical excess of
electricity production. The results also demonstrate that district cooling, even though it
represents a much smaller demand then district heating and is integrated into the scenarios with
much smaller shares, still decreases critical excess of electricity production by up to an
additional 12% when comparing scenarios with and without cooling.
Demand side management and flexibility of energy systems is an increasingly important
element as the share of intermittent renewable energy sources such as wind and solar power
increase. District heating and cooling can enable this flexibility while also providing an
adaptable and sustainable source of heating and cooling energy for Europe’s densely populated
cities. It is a key technology which needs wider adoption in Europe’s mild and Mediterranean
climates where it can bring all the benefits it is already providing to other territories across the
continent.
Abstract (croatian) Europska unija je postavila ambiciozan cilj potpune ili barem gotovo potpune dekarbonizacije
do 2050. Sektor zgradarstva predstavlja najveći izvor stakleničkih plinova i najveći potrošač
energije na kontinentu. Pošto sve više ljudi živi u gusto naseljenim urbanim područjima, održiva
opskrba energijom za grijanje prostora, hlađenje i proizvodnju tople vode postat će sve veći
izazov. Centralizirani sustavi za grijanje i hlađenje predstavljaju idealno rješenje u ovom
procesu, budući da omogućuju proizvodnju i korištenje obnovljive i otpadne energije na
mjestima gdje su dostupne, te njihovu distribuciju do mjesta na kojima su potrebne s visokim
gustoćama energije. Također omogućuju povećanu fleksibilnost u smislu korištenja tehnologija
proizvodnje energije pošto je većina sustava te troškova vezana uz distribucijsku stranu koja se
u suštini sastoji od cijevi za toplu vodu i sustava za distribuciju te vode. Korištenje
centraliziranih sustava za grijanje i hlađenje u kombinaciji s tehnologijama pretvorbe električne
u toplinsku energije te sustava pohrane topline može osigurati povećanje fleksibilnosti
cjelokupnog energetskog sustava i time povećati njegovu sposobnost korištenja intermitentnih
izvora obnovljive električne energije.
Glavni cilj ovog doktorskog rada je procjena i kvantifikacija utjecaja centraliziranih sustava
grijanja i hlađenja na potencijal za korištenje intermitentnih obnovljivih izvora energije u
umjerenim i mediteranskim klimama. Hipoteza rada je da visok udio centraliziranih sustava
grijanja i hlađenja u kombinaciji s tehnologijama pretvorbe električne u toplinsku energiju i
sustava pohrane toplinske energije može imati značajan i pozitivan utjecaj na potencijal
energetskog sustava za korištenje viših udjela intermitentnih obnovljivih izvora za proizvodnju
električne energije bez stvaranja kritičnih viškova električne energije u kontinentalnim i
mediteranskim klimama u Europi. Doktorski rad temelji se na šest radova, od čega četiri
objavljena u CC časopisima visokog faktora odjeka, jednom u časopisu kategorije Q2 i jednom
konferencijskom radu.
Prikazani rezultati su potvrdili predloženu hipotezu. Kako je vidljivo u rezultatima rada, sustavi
s visokim udjelom centraliziranih sustava grijanja i hlađenja lako bi mogli prihvatiti 4.000 MW
vjetra i 4.000 MW solarnih elektrana što bi proizvelo više od 17,13 TWh električne energije ili
oko 73% ukupne potražnje za električnom energijom (uključujući dodatnu potražnju za
proizvodnju topline putem dizalica topline i električnih bojlera), s oko 5% kritičnog viška
proizvodnje električne energije. Rezultati također pokazuju da centralizirani sustavi hlađenja,
iako predstavljaju znatno manju potražnju od grijanja te se u scenarije uključuju sa znatno
manjim udjelima, još uvijek smanjuje kritični višak proizvodnje električne energije za dodatnih
12% kada se uspoređuju scenariji s i bez hlađenja.
Potreba za upravljanjem potražnjom i fleksibilnošću energetskih sustava sve je važnija kako
raste udio intermitentnih izvora obnovljive energije poput vjetra i solarne energije. Širokom
primjenom sustava centraliziranog grijanja i hlađenja omogućuje se ta fleksibilnost, uz
istovremeno pružanje prilagodljivog i održivog izvora energije za grijanje i hlađenje gusto
naseljenih europskih gradova. To je iznimno bitna tehnologija koja zahtijeva šire prihvaćanje u
umjerenim i mediteranskim klimama u Europi, gdje može donijeti sve prednosti koje već pruža
drugim dijelovima europskog kontinenta.
Keywords
district heating
district cooling
energy planning
GIS
power to heat
power to cold
Keywords (croatian)
centralizirani toplinski sustavi
centralizirani sustavi hlađenja
energetsko planiranje
GIS
pretvorba električne energije u toplinsku
pretvorba električne energije u hlađenje
Language english URN:NBN urn:nbn:hr:235:013828 Study programme Title: Mechanical Engineering and Naval Architecture Type of resource Text File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Created on 2023-06-27 15:07:28
