Termisk energilagring i fjärrvärmenät

• Main Author: Kuylenstierna, Julia
• Format: Others
• Language: Swedish
• Published: KTH, Energiteknik 2018
• Subjects: Mechanical Engineering; Maskinteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-245058

District heating is the most common form of heating in Sweden and as other industries it faces challenges in terms of increased resource utilization and transition to 100% renewable energy sources. Thermal energy storage in district heating networks can bring several advantages, for example enabling the use of excess energy, reduction of equipment size and capacity, as well as load leveling. By replacing peak load equipment, thermal energy storages can be an important enabler for systems entirely based on renewable energy. In district heating networks today, buffer tanks are usually used to meet short-term variations, other storage solutions are rare. This study aims to contribute with knowledge about the potential of alternative thermal energy storages in the district heating networks. This is done by compiling comparable parameters for commercialized storages and storages in development phase. The parameters used within the study are energy density [MWh/m3], power density [kW/m3], investment cost per installed capacity [kSEK/MWh] and power [kSEK/kW], charging temperature, discharging temperature, and return temperature during charging [°C], efficiency [%], system integration, operational availability, implementation and environmental impact/emissions. Among the sensible storages the identified techniques are pressurized buffer tanks, aquifer-, borehole-, rock cavern-, pit- and hot water storages. For latent storages, which are in the development phase, experiments, pilot plants and studies have been compiled. The same applies to thermochemical storages. For comparison with a fully commercialized technology, data for buffer tanks has been compiled. Thermochemical storages based on sorption have the highest energy density followed by hot water storages, latent storages with inorganic phase change materials, pit storages and thermochemical storages based on chemical reactions without sorption. Pressurized buffer tanks have the highest power density followed by latent storages with inorganic phase change materials, buffer tanks and thermochemical storages based on sorption. The investment cost per installed capacity is significantly lower among sensible storages than among latent and thermochemical storages. Among the sensible storages, the investment cost is lowest for borehole, aquifer and hot water storages. For latent storages, the investment cost per installed capacity differs markedly depending on whether the phase change material is organic or inorganic where the storages with organic phase change material presents higher investment costs. The investment cost of the thermochemical storages varies but is generally lower than the cost of latent and higher than the cost of sensible storages. The investment cost per installed power is lowest for buffer tanks followed by other sensible storages with water as storage material (pressurized buffer tank, pit storage, rock cavern storage and hot water storage). The remaining storages has several times (75 - 216) higher investment costs per installed power. Efficiency for pressurized buffer tanks, hot water storages, latent storages and pit storage is highest where all have maximum values above 80%. Aquifer and borehole storages have efficiencies around 50%. For rock caverns the reported value for efficiency is 65%. Information about efficiency is missing for thermochemical storages. The temperature levels differ between the various installations, but in summary, the temperatures for the Swedish aquifer storages are relatively low with discharge temperatures between 8 - 28 ° C. The discharge temperatures of the borehole storages are between 35 - 55 ° C. For storages with water as storage material (rock caverns, pits and water tanks), the temperatures are generally higher. The upper limits for the working temperatures in pit and hot water storage is 95 and 90 ° C respectively. The discharge temperatures for rock caverns vary between 65 and 82 ° C.  With the exception of some high temperature storages, the reported working temperature of latent storages is up to 90 ° C and the discharge temperatures for thermochemical storages 30 - 120 ° C.  The sensible storages are implemented centrally in their systems. Among the latent and thermochemical storages, the majority are placed centrally in their systems, but storages close to the property and mobile storages occur. At current investment cost, economically competitive alternatives to buffer tanks are questionable for storages where high effects are required. Borehole-, pit- and rock cavern storages are considered to have the potential to fit as long-term storage in district heating networks as they have relatively low investment costs per installed capacity and high storage capacities. Pit- and rock cavern storages could also be suitable for meeting short term variations as the storage medium, water, can theoretically reach high discharge power. === Fjärrvärme är den vanligaste uppvärmningsformen i Sverige och som andra branscher står den för utmaningar i form av ökat resursutnyttjande och övergång till 100 % förnybara energikällor. Termiska energilager i fjärrvärmenät kan medföra flera fördelar, till exempel möjliggjord användning av överskottsenergi, minskning av utrustningsstorlek och kapacitet samt lastutjämning. Genom att ersätta spetslastutrustning kan termiska lager vara en viktig möjliggörare för system helt baserade på förnybar energi. I fjärrvärmenät idag används vanligen ackumulatortankar för utjämning av korttidsvariationer, andra lösningar är sällsynta.  Denna studie syftar till att bidra med kunskap om alternativa termiska energilagers potential i fjärrvärmenät. Detta genom att sammanställa jämförbara parametrar för kommersialiserade lager och lager i utvecklingsfas. De parametrar som kartläggningen utgått ifrån är energitäthet [MWh/m3], effekttäthet [kW/m3], investeringskostnad per installerad lagringskapacitet [kSEK/MWh] och effekt [kSEK/kW], laddningstemperatur, urladdningstemperatur, och returtemperatur vid laddning [°C], verkningsgrad [%], systemintegration, drifttillgänglighet, implementering och miljöpåverkan/utsläpp. Bland de sensibla lagren har lagringsteknikerna akviferlager, borrhålslager, bergrumslager, groplager, hetvattenlager och trycksatta ackumulatortankar kartlagts. För latenta lager, som befinner sig i utvecklingsfas, har experiment, pilotanläggningar och studier kartlagts. Det samma gäller för termokemiska lager. För jämförelse med en fullt kommersialiserad teknik har data för ackumulatortankar sammanställts. Termokemiska lager baserade på sorption har högst energitäthet följt av hetvattenlager, latenta lager med oorganiska fasändringsmaterial, groplager och termokemiska lager som bygger på kemiska reaktioner utan sorption. Trycksatta ackumulatortankar har högst effekttäthet följt av latenta lager med oorganiska fasändringsmaterial, ackumulatortankar och termokemiska lager som bygger på sorption. Investeringskostnaden per installerad lagringskapacitet är markant lägre bland sensibla lager än bland latenta och termokemiska lager. Bland de sensibla lagren är investeringskostnaden lägst för borrhåls-, akvifer- och hetvattenlager. För latenta lager skiljer sig investeringspriset per installerad lagringskapacitet markant beroende på om fasändringsmaterialet är organiskt eller oorganiskt där de lager med organiskt fasändringsmaterial är behäftade med högre kostnader. Investeringskostnaden för de termokemiska lagren varierar men är generellt lägre än de latenta och högre än de sensiblal lagren. Investeringskostnaden per installerad effekt är lägst för ackumulatortankar följt av andra sensibla lager med vatten som lagringsmaterial (trycksatt ackumulatortank, groplager, bergrumslager och hetvattenlager). Resterande lager har flertal gånger (75 - 216) högre investeringskostnader per installerad effekt. Verkningsgrad för trycksatta ackumulatortankar, hetvattenlager, latenta lager och groplager är högst där alla har maximala värden över 80 %. Akvifer- och borrhålslager har verkningsgrader runt 50 % och för bergrumslager finns ett rapporterat värde för verkningsgrad på 65 %. För termokemiska lager saknas information om verkningsgrad. Temperaturnivåerna skiljer sig mellan de olika installationerna men sammanfattningsvis är temperaturerna för de svenska akviferlagren relativt låga men urladdningstemperaturer från 8 - 28 °C. Urladdningstemperaturerna för borrhålslagren är 35 – 55 °C. För de lager med vatten som lagringsmaterial (bergrumslager, groplager och vattentankar) är temperaturerna generellt högre. Övre gräns för groplagers och hetvattenlagers arbetstemperaturer är 95 respektive 90 °C, urladdningstemperaturerna för bergrumslager är mellan 65 och 82 °C. Med undantag för vissa hög-temperaturlager är arbetstemperaturerna för latenta lager upp till 90 °C och urladdningstemperaturerna för termokemiska lager 30 – 120 °C. De sensibla lagren är implementerade centralt i sina system. Bland de latenta och termokemiska lagren förekommer, förutom centralt placerade lager, även fastighetsnära och mobila lager. För lager där höga effekter efterfrågas är ekonomiskt konkurrenskraftiga alternativ till ackumulatortankar tveksamma idag. Borrhålslager, groplager och bergrumslager anses ha potential att passa som långtidslager i fjärrvärmenät då de har relativt låga investeringskostnader per installerad lagringskapacitet och höga lagringskapaciteter. Groplager och bergrumslager skulle eventuellt också kunna passa för utjämning av korttidsvariationer då lagringsmediet är vatten vilket teoretiskt kan uppnå höga urladdningseffekter.