Naslov Multi criteria method for evaluation of district heating and cooling with regard to individual systems
Naslov (hrvatski) Višekriterijska metoda procjene valjanosti centraliziranih toplinskih i rashladnih sustava u odnosu na individualne
Autor Hrvoje Dorotić
Mentor Neven Duić (mentor)
Član povjerenstva Tomislav Pukšec (predsjednik povjerenstva)
Član povjerenstva Andrej Jokić (član povjerenstva)
Član povjerenstva Poul Alberg Østergaard https://orcid.org/0000-0002-6796-6526 (član povjerenstva)
Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj Sveučilište u Zagrebu Fakultet strojarstva i brodogradnje Zagreb
Datum i država obrane 2022-05-09, Hrvatska
Znanstveno / umjetničko područje, polje i grana TEHNIČKE ZNANOSTI Strojarstvo
Univerzalna decimalna klasifikacija (UDC ) 620 - Ispitivanje materijala. Elektrane. Ekonomika energije 621 - Strojarstvo. Nuklearna tehnika. Strojevi
Sažetak According to EU climate strategies, district heating and cooling technologies will have an
important role in energy transition by contributing to energy efficiency and decarbonisation
targets defined for 2030 and reaching climate neutrality by 2050. District heating and cooling
systems can integrate renewable energy sources and low-temperature waste heat by utilising
heat pumps combined with thermal storage. This makes them a crucial component in future
energy systems where power system balancing will have a vital role. Despite these qualities,
district heating is still not recognized as the primary heating source in dense urban areas. Due
to its relatively low price and the distribution of existing networks in numerous EU member
states, a natural gas boiler is usually the preferred heating source. The utilization of natural gas
for space heating results in high exergy destruction and represents poor resource management.
Due to this, its use in energy transition should be reserved for industrial processes challenging
to decarbonise or the production of electrical energy in cogeneration power plants.
The main objective of this doctoral thesis is to define the energy market conditions where
district systems are superior to individual natural gas solutions by considering economic,
environmental and exergetic criteria. It should be mentioned that exergy is usually used for
detailed thermodynamic analyses and is rarely considered in energy planning. For this purpose,
a novel multi-objective optimisation method was developed based on mixed-integer linear
programming capable of finding optimal system capacities and hourly operation for a whole
year. Objective functions are defined as minimisation of total cost, minimisation of carbon
emissions and maximisation of exergy efficiency. To deal with the multi-objective
optimisation, the epsilon constraint method was utilised. Cost and carbon allocation in
cogeneration units has been implemented by using a power-loss method. It is based on the
reduction of a power output due to heat production. The power-loss is then translated to cost
and carbon emissions allocated to heat in cogeneration units.
The obtained results have shown the importance of utilising district heating in future energy
systems. Firstly, the integration of intermittent renewable energy sources in power markets will
have a positive impact on district heating systems, since it will enable larger power-to-heat
capacities which are becoming an economically suitable solution. The incorporation of heat
prosumers and the deployment of a heat market can provide a price reduction. Secondly, the
thesis quantifies the benefits of integrating district heating and cooling systems by using a multiobjective
optimisation approach. Thirdly, a district heating model has been developed, which considers the exergy destruction of a system. Exergy destruction in heat-only boilers has been
calculated as the system cost. The impact of exergy taxing on the displacement of natural gas
heat-only boilers has been assessed. Finally, the impact of carbon and cost allocation in
cogeneration units has been evaluated. The thesis determines the range of natural gas prices for
which district systems are superior to individual heating. It has been shown that cogenerationbased
district heating is economically, environmentally and exergy-wise better than individual
natural-gas boilers, even for low households’ natural gas prices.
Sažetak (hrvatski) Centralizirani toplinski sustavi imat će važnu ulogu u energetskoj tranziciji EU-a i postizanju
ciljeva energetske učinkovitosti i dekarbonizacije definiranih za 2030. te ostvarivanju klimatske
neutralnosti do 2050. Centralizirani toplinski sustavi mogu integrirati obnovljive izvore
energije i niskotemperaturnu otpadnu toplinu korištenjem dizalica topline u kombinaciji sa
spremnicima topline. To ih čini ključnom komponentom u budućim energetskim sustavima
gdje će balansiranje elektroenergetskih mreža imati važnu ulogu. Unatoč ovim kvalitetama,
centralizirani toplinski sustavi još uvijek nisu prepoznati kao primarni izvor grijanja u gusto
naseljenim urbanim područjima. Zbog relativno niske cijene i razvijenih distribucijskih mreža,
prirodni plin često je glavni izvor grijanja u brojnim gradovima EU-a. Korištenje prirodnog
plina za grijanje prostora rezultira visokim eksergetskim gubicima i predstavlja loše upravljanje
energetskim resursima. Zbog toga bi njegova upotreba u energetskoj tranziciji trebala biti
rezervirana za industrijske procese koji je teško dekarbonizirati ili za proizvodnju električne
energije u kogeneracijskim elektranama.
Glavni je cilj ove doktorske disertacije definirati tržišne uvjete u kojima su centralizirani sustavi
bolji od individualnih plinskih bojlera uzimajući u obzir ekonomske, ekološke i eksergetske
kriterije. Treba spomenuti da se eksergijska analiza obično koristi za proučavanje
termodinamičkih procesa, ali se rijetko uzima u obzir u energetskom planiranju. U tu svrhu
razvijena je nova metoda višeciljne optimizacije koja se temelji na mješovitom cjelobrojnom
linearnom programiranju, kojom se mogu pronaći optimalni kapaciteti proizvodnih jedinica i
optimalno satno vođenje sustava za čitavu godine. Funkcije cilja definirane su kao
minimiziranje ukupnih troškova, minimiziranje emisija ugljikova dioksida i maksimiziranje
eksergetske učinkovitosti. Za rješavanje problema višeciljne optimizacije korištena je metoda
epsilon ograničenja. Alokacija troškova i emisija u kogeneracijskim jedinicama provedena je
metodom gubitka snage. Ona se temelji na smanjenju električne snage uslijed proizvodnje
topline. Gubitak snage se zatim prevodi u troškove i emisije ugljikovog dioksida alocirane
proizvodnji topline u kogeneracijskim jedinicama.
Dobiveni rezultati pokazali su da integracija varijabilnih obnovljivih izvora na tržištima
električne energije ima pozitivan utjecaj na sustave daljinskog grijanja jer će omogućiti veće
kapacitete dizalica topline koji su ujedno i troškovno prihvatljivi. Nadalje, uključivanje aktivnih
kupaca topline i razvoj tržišta topline mogu osigurati smanjenje cijena toplinske energije. Uz
to, doktorski rad je kvantificirao prednosti integracije sustava daljinskog grijanja i hlađenja korištenjem višeciljne optimizacije. Također, razvijen je model centraliziranog toplinskog
sustava koji uzima u obzir eksergijske gubitke prevedene u trošak sustava. Procijenjen je utjecaj
troška eksergije na istiskivanje kotlova na prirodni plin iz troškovno optimalnog rješenja.
Konačno, analiziran je utjecaj alokacije emisija i troškova u kogeneracijskim jedinicama. U
disertaciji se definirao raspon cijena prirodnog plina za koje su daljinska rješenja superiornija
od individualnog grijanja. Pokazano je da su centralizirani toplinski sustavi temeljeni na
kogeneraciji ekonomski, ekološki i eksergijski bolji od individualnih kotlova na prirodni plin,
čak i za niske cijene prirodnog plina u kućanstvima.
Ključne riječi
district heating
energy planning
multi-objective optimisation
cogeneration
exergy
natural gas
Ključne riječi (hrvatski)
centralizirani toplinski sustavi
energetsko planiranje
višeciljna optimizacija
kogeneracija
eksergija
prirodni plin
Jezik engleski
URN:NBN urn:nbn:hr:235:027692
Studijski program Naziv: Strojarstvo i brodogradnja Vrsta studija: sveučilišni Stupanj studija: poslijediplomski doktorski Akademski / stručni naziv: doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti (dr.sc.)
Vrsta resursa Tekst
Način izrade datoteke Izvorno digitalna
Prava pristupa Otvoreni pristup
Uvjeti korištenja
Datum i vrijeme pohrane 2022-05-24 12:32:47