Reakcja strony popytowej (DSR) w systemach ciepłowniczych
Napisany przez Sonja Salo. Opublikowano wcześniej przez Fourdeg Oy w Mon 10 Sep 2018 11:00:00 AM EEST
Ten artykuł został wcześniej opublikowany w Kuntatekniikka (12/2016)
Wyposażenie systemu ogrzewania budynków w inteligentne urządzenia sterujące może przynieść znaczące korzyści ekonomiczne i środowiskowe. Po podłączeniu budynków do lokalnej sieci ciepłowniczej miasta lub gminy, budynki nie powinny być optymalizowane indywidualnie, ale cała sieć ciepłownicza jako system, który jednocześnie optymalizuje produkcję, dystrybucję i zużycie.
Około połowa fińskich domów jest podłączona do sieci ciepłowniczej. Całkowite zużycie energii w 2015 roku wyniosło około 33 TWh, co oznacza spadek o 5 procent w porównaniu z rokiem poprzednim, ze względu na rekordowo ciepłą pogodę.
Ciepłownictwo komunalne zostało uznane za najbardziej opłacalny sposób ogrzewania budynków, zwłaszcza na obszarach miejskich. Finlandia, podobnie jak inne kraje skandynawskie, posiada jedne z najbardziej kompleksowych sieci ciepłowniczych na świecie. Jednak alternatywne formy ogrzewania rozwijają się w szybkim tempie. Rosnąca konkurencja i zmiany w kierunku polityki energetycznej wywierają ogromną presję na przedsiębiorstwa ciepłownicze.
Ciepło sieciowe jest obecnie produkowane bezpośrednio w celu zaspokojenia popytu konsumentów i po dość sztywnych cenach. Zużycie ciepła sieciowego zmienia się zarówno sezonowo, jak i codziennie, w zależności od temperatury zewnętrznej i zachowań konsumentów. Elastyczność w dostawach energii osiąga się głównie poprzez zmiany w produkcji, wykorzystanie dużych zbiorników wody i optymalizację sieci dystrybucyjnej. Chwilowe szczyty zapotrzebowania często muszą być zastępowane paliwami kopalnymi, ponieważ są one przystosowane do szybkich zmian w produkcji ciepła.
Ciepło jest magazynowane w strukturach
Alternatywnie, zużycie energii w poszczególnych budynkach może spadać podczas chwilowych szczytów zużycia. Celem zarządzania popytem na ciepło z sieci ciepłowniczej jest przekazywanie odpowiedniej ilości energii cieplnej potrzebnej budynkom w czasie, przy jednoczesnej optymalizacji całkowitego zapotrzebowania sieci na energię. Na przykład, energia cieplna może być dostarczana do budynków na kilka godzin przed szczytem zapotrzebowania. Dostarczona energia jest magazynowana w zbiornikach ciepłej wody lub w konstrukcjach budynków, zmniejszając w ten sposób zapotrzebowanie budynków na energię podczas szczytowego zapotrzebowania. Pozwala to uniknąć uruchamiania kosztownej zapasowej elektrowni.
Zarządzanie stroną popytową w ciepłownictwie jest podobne do tego stosowanego w przypadku energii elektrycznej. Na arenie międzynarodowej Demand Side Management jest również rozumiane jako całkowita oszczędność energii, a Demand Response w systemach elektrycznych odnosi się do transferu mocy w czasie. W przeciwieństwie do energii elektrycznej, ciepłownictwo musi być produkowane lokalnie.
Ogrzewanie miejskie jest również bardziej sztywną formą energii i wolniej reaguje na zmiany, a elastyczność musi być planowana z wyprzedzeniem. Dzięki inteligentnemu sterowaniu temperaturą użytkownik końcowy nie zauważa chwilowej zmiany ogrzewania ze względu na powolną reakcję.
Ostatecznym celem reagowania na popyt (DSR) jest osiągnięcie oszczędności zarówno w zużyciu energii, jak i kosztach, bez poświęcania łatwości użytkowania. Dlatego też zarządzanie popytem na ciepłą wodę użytkową i centralne ogrzewanie ma ograniczone możliwości.
Wirtualny akumulator termiczny
Budynki podłączone do sieci ciepłowniczej mogą być częścią wirtualnego, rozproszonego akumulatora ciepła z inteligentnym sterowaniem. Te lokalne małe magazyny ciepła jawią się przedsiębiorstwu ciepłowniczemu jako jeden duży, wirtualny akumulator ciepła, który może być ładowany i rozładowywany przez operatora w taki sam sposób, jak duży akumulator ciepła w zbiorniku wody.
Rozproszony system magazynowania ciepła działa jak wirtualna elektrownia w systemach elektrycznych. W ten sposób przedsiębiorstwo ciepłownicze może zwiększyć swoją wirtualną pojemność baterii przy stosunkowo niewielkiej inwestycji, bez konieczności posiadania fizycznego magazynu.
Rozproszonymi magazynami ciepła można zarządzać zdalnie za pomocą urządzeń podłączonych do Internetu rzeczy. Jego zalety obejmują niskie koszty inwestycyjne, konserwację zapobiegawczą i efektywne wykorzystanie przestrzeni. Rozproszony magazyn ciepła w nieruchomości ogrzewanej z sieci ciepłowniczej jest znaczącym akumulatorem ciepła.
Akumulator ciepła ładuje się i rozładowuje do struktur zgodnie ze zmianą temperatury powietrza w pomieszczeniu, umożliwiając krótkotrwałe magazynowanie ciepła przez około kilka godzin.
Gdy grzejniki zwiększają moc, powietrze w pomieszczeniu nagrzewa się najpierw ze względu na niższą pojemność cieplną. Następnie energia cieplna jest powoli przekazywana do struktur pomieszczenia, takich jak ściany, podłoga i sufit.
Odpowiednio, wraz ze spadkiem mocy grzejników, struktury pomieszczenia powoli przekazują energię cieplną do powietrza w pomieszczeniu, utrzymując stałą temperaturę.
Pojemność magazynowania ciepła można zwiększyć
Potencjał akumulacyjny konstrukcji zależy w dużej mierze od pojemności cieplnej materiału, jego masy i gradientu termicznego, do którego magazyn jest stosowany. Budynki podłączone do zarządzania stroną popytową powinny mieć ciężką konstrukcję, a tym samym dużą pojemność cieplną.
Pojemność magazynowania ciepła można zwiększyć poprzez dodanie magazynowania ciepła utajonego (LHS) zamiast magazynowania ciepła jawnego (SHS), co może być realizowane zarówno przez systemy aktywne, jak i przez pasywną integrację materiałów zmiennofazowych ze strukturami.
Wyposażenie budynku w inteligentne sterowanie zmniejsza zużycie energii w budynku, ponieważ sterowniki równoważą temperaturę wewnętrzną pomieszczeń, obniżają temperaturę podczas nieobecności i uczą się indywidualnej pojemności cieplnej budynku. Dzięki odpowiedniemu sterowaniu budynek optymalizuje i oszczędza energię.
W przypadku zarządzania popytem temperatura wewnętrzna budynku może chwilowo wzrosnąć, powodując wzrost strat ciepła. Budynek może zatem zużywać więcej energii niż oszczędza podczas przerwy w dostawie ciepła. Jednak to zwiększone zapotrzebowanie na energię zostało zrealizowane w opłacalnym okresie, a całkowity koszt produkcji energii może zostać zmniejszony.
Moc można zmniejszyć nawet o 30%
Potencjał magazynowania konstrukcji w dużej mierze zależy od pojemności cieplnej materiału, jego masy i gradientu termicznego, do którego magazynowanie jest stosowane. Budynki związane z elastycznością popytu są tak ciężkie, jak to możliwe, tj. mają dużą masę termiczną.
Zdolność magazynowania ciepła można zwiększyć, wybierając magazynowanie ciepła utajonego zamiast magazynowania ciepła jawnego, co można zrealizować za pomocą systemów aktywnych lub poprzez pasywną integrację materiału zmiennofazowego ze strukturami.
Wyposażenie budynku w inteligentne urządzenia sterujące zmniejsza zużycie energii w budynku, gdy elementy sterujące równoważą temperaturę wewnętrzną pomieszczeń, obniżają temperaturę podczas nieobecności i uczą się indywidualnego oporu cieplnego budynku. Dzięki odpowiedniemu sterowaniu budynek oszczędza energię jako całość.
Przy elastyczności popytu temperatura wewnętrzna budynku może chwilowo wzrosnąć, powodując również wzrost strat ciepła. Budynek może wtedy zużywać więcej energii, gdy oszczędza ciepło podczas przerwy w dostawie prądu. Jednak to zwiększone zapotrzebowanie na energię zostało wdrożone w opłacalnym czasie, a zatem całkowite koszty produkcji mogą się zmniejszyć.
Moc szczytową można zmniejszyć nawet o 30%.
Przeprowadzono zarówno symulacje dla poszczególnych pomieszczeń, jak i dla całej sieci w celu zapewnienia elastyczności zapotrzebowania na ciepło. Symulacja pomieszczeń wykazała, że najsłabsze punkty budynku znajdują się w pomieszczeniach narożnych, które mają większe straty ciepła niż reszta budynku. W związku z tym, dzięki sterowaniu ogrzewaniem w poszczególnych pomieszczeniach, możliwe jest wykorzystanie potencjału magazynowania w całym budynku.
Zgodnie z badaniami przeprowadzonymi w Jyväskylä, możliwe jest zmniejszenie mocy systemu ciepłowniczego nawet o 25-30%, co oznacza, że można na przykład uniknąć korzystania z centrali grzewczej zasilanej olejem opałowym.
Elastyczność zapotrzebowania sieci ciep łowniczej jest częścią inteligentnej sieci ciepłowniczej przyszłości. W oparciu o symulację sieci, przedsiębiorstwo ciepłownicze może zaoszczędzić około 5-10% kosztów zmiennych ogrzewania poprzez wykorzystanie rozproszonej baterii cieplnej.
Udział kosztów zmiennych w całkowitych kosztach produkcji ciepła sieciowego różni się w zależności od, na przykład, struktury produkcji, wielkości i wieku sieci ciepłowniczej. W symulacji uwzględniono zależność zakładu skojarzonej produkcji energii elektrycznej i ciepła oraz dużej pompy ciepła od ceny spot energii elektrycznej.
Firma energetyczna może znaleźć wartość dodaną do istniejącej działalności, rozpoczynając rozmowę z klientem. Prowadzi to do jednego z głównych pytań związanych z elastycznością popytu: jak zachęcić konsumentów do udziału w elastyczności? Choć technologia już istnieje, wciąż opracowywane są odpowiednie zachęty ekonomiczne i społeczne.
Należy również zaktualizować podejście konsumentów do niekończących się dostaw energii. Sektor publiczny może być wyznacznikiem trendów i pionierem w zakresie czystszego, inteligentniejszego i bardziej wydajnego ciepłownictwa komunalnego.
Źródła:
Energiateollisuus (2015) Energiavuosi
Sonja Salo (2016) Predictive Demand-side Management in District Heating and Cooling Connected Buildings (Predykcyjne zarządzanie popytem w budynkach podłączonych do sieci ciepłowniczej i chłodniczej),
Kärkkäinen et al. (2004) Zarządzanie popytem w systemach ciepłowniczych