P2H technologijos taikymo analizė šilumos poreikio pikams suvaldyti šilumos tinkluose
Vilniaus mieste, kai nepriklausomų šilumos gamintojų pajėgumų nepakanka, šilumos paklausos pikams padengti naudojamos gamtinės dujos. Buvo atliktas tyrimas, siekiant įvertinti galimybę naudoti šiluminės energijos kaupimo sistemą, įkraunamą atsinaujinančia energija, kaip alternatyvą gamtinių dujų naudojimui šilumos pikams valdyti. Didžiausia šilumos paklausa pasireiškia laikotarpiu nuo lapkričio iki balandžio, kai lauko temperatūra nukrenta žemiau 0 °C.
Idėja grindžiama „Power-to-Heat“ (P2H) modeliu, kai perteklinė elektros energija paverčiama šiluma. Atsižvelgiant į perteklinės elektros energijos nepastovumą, paprastai naudojama šiluminės energijos kaupimo sistema. Kaupimo tipas priklauso nuo paskirties – nuo sezoninių iki paros kaupimo sprendimų.
Buvo sumodeliuoti du šios sistemos scenarijai: vienas su sezonine šiluminės energijos kaupimo sistema, kitas – su paros kaupimo konfigūracija.
Sezoninė P2H sistema
Sezoniniame scenarijuje pasirinktas žemės duobės tipo šiluminės energijos kaupimo sprendimas (PTES) – technologija, sėkmingai taikoma panašaus masto projektuose Danijoje. Apskaičiuota, kad siekiant išvengti gamtinių dujų deginimo Vilniaus šilumos paklausos pikams padengti, reikėtų bent 3 mln. m³ PTES talpos.
Dėl ribotos žemės ploto TEC-3 teritorijoje (Vilniaus trečioji kogeneracinė elektrinė) šiame tyrime pasirinktas 200 000 m³ kaupimo tūris. Kaupimo terpė – vanduo, kurio temperatūra gali siekti iki 90 °C. PTES padengia nuo 5 % iki 9 % bendrų šilumos paklausos pikų, priklausomai nuo kaupimo temperatūros. Sujungta su megavatų galios šilumos siurbliu, ši sistema galėtų tiekti iki 22 GWh šilumos į centralizuoto šilumos tiekimo tinklą.
Kaupimo sistema įkraunama laikotarpiu nuo gegužės iki spalio, pasitelkiant perteklinę elektros energiją, kuri daugiausia susidaro dėl išaugusios saulės energijos gamybos. Šiuo metų laiku elektros perteklius stebimas tiek nakties, tiek vidurdienio valandomis, todėl kaupiklis įkraunamas būtent šiomis valandomis. Įkrovimui naudojamas megavatų galios elektrinis vandens šildytuvas. Kaupimo temperatūra įkrovimo laikotarpio pabaigoje svyruoja nuo 46 iki 88 °C, priklausomai nuo pasirinkto režimo, kuris grindžiamas pageidaujamu šilumos siurblio naudingumo koeficientu (COP). Vidutinis (sezoninis) COP skirtingais sistemos veikimo režimais siekia nuo 3 iki 5.
Šilumos iškrovimas iš PTES vyksta dviem būdais: vienu atveju – tiesiogiai perduodant šilumą į centralizuoto šildymo tinklą, kai kaupiklio temperatūra yra pakankamai aukšta; kitu – pasitelkiant šilumos siurblį vandens temperatūrai pakelti iki reikiamo lygio. Iškrovimas pradedamas tik esant padidėjusiai šilumos paklausai. Sezoninis PTES naudingumo koeficientas siekia 70–80 %.
Kitas svarstytas sezoninės šiluminės energijos kaupimo scenarijus apima šilumos iš saulės šiluminių kolektorių naudojimą. Norint pasiekti tokį patį šilumos kiekį, reikalingą centralizuotam šildymui, būtina įrengti 41 500 m² saulės kolektorių. Nors ši sistema yra sudėtingesnė, turi daugiau komponentų ir reikalauja gerokai didesnių pradinių investicijų, ji yra mažiau priklausoma nuo elektros rinkos kainų. Keletas saulės pagrindu veikiančių centralizuoto šildymo projektų su sezoniniu šilumos kaupimu jau įgyvendinti Danijoje ir Vokietijoje. Šilumos kainos juose svyravo nuo 37 iki 88 €/MWh, priklausomai nuo palūkanų normų ir investicinių subsidijų prieinamumo. Danijoje kiekviena savivaldybė teikia paskolų garantijas atsinaujinančiųjų šaltinių pagrindu veikiančių centralizuoto šildymo projektams, taip sumažindama ilgalaikių investicijų riziką. Tai leidžia gauti itin mažas – nuo 0 % iki 3 % – palūkanų normas ilgam laikotarpiui, pavyzdžiui, 25 metams.
Paros P2H sistema
Paros režimo scenarijuje buvo nagrinėjami du veikimo variantai: kai padengiama nuo 5 % iki 17 % bendrų šilumos paklausos pikų ir kai padengiami 100 % pikų. Paros sistema leidžia padengti 100 % paklausos pikų, nes gali būti įkraunama kasdien, todėl nereikia itin didelio kaupimo tūrio. Talpų tipo šiluminės energijos kaupimo sistema (TTES) yra ekonomiškai efektyvi iki 10 000 m³ tūrio. Šiame tyrime pasirinkta 3 700 m³ talpa, leidžianti padengti iki 17 % pikinės šilumos paklausos.
https://mci-ridglok.com/health-care-thermal-energy-storage-tank-chaska-mn/
Įkrovimo ir iškrovimo procesai yra analogiški sezoniniam veikimui, vienintelis skirtumas tas, kad kaupiklis įkraunamas naktį, kai žiemą elektros kainos paprastai būna mažesnės. Tuo pačiu metu jis iškraunamas, kai centralizuoto šildymo sistemoje šilumos paklausa yra didžiausia.
Norint padengti 100 % pikinės paklausos, pasirinkta anksčiau minėta PTES technologija su 21 500 m³ tūriu. Sistema veikia taip pat, skiriasi tik komponentų mastas, elektros suvartojimas ir išėjimo galia.
Šilumos kainų įvertinimas abiem scenarijams
Projektai, susiję su šilumos gamyba iš atsinaujinančių energijos šaltinių, gauna subsidijas iš tokių fondų kaip ES Inovacijų fondas ir Modernizavimo fondas. Projektų finansavimas gali padengti daugiau nei pusę kapitalo sąnaudų.
Atsižvelgiant į kapitalo ir eksploatacines sąnaudas, 4 % palūkanų normą ir 25 metų projekto gyvavimo laikotarpį, buvo apskaičiuota lyginamoji šilumos kaina (LCOH). Sezoninės šiluminės energijos kaupimo scenarijus, kuris remiasi vasarą sukaupta perteklinėmis elektros energijos apimtimis, yra mažiau konkurencingas, palyginti su šiluma, tiekiama kitų nepriklausomų gamintojų, kurių LCOH daugiausia priklauso nuo biokuro kainų. 2023 m. šilumos kaina Vilniuje siekė apie 50 €/MWh. LCOH konkurencingumas tampa akivaizdus tik tuo atveju, kai taikoma 60 % subsidija kapitalo sąnaudoms (CAPEX) ir vidutinė elektros kaina įkrovimo bei iškrovimo laikotarpiais yra gerokai mažesnė nei 2023 m. Kai šiluma gaminama iš saulės kolektorių, LCOH dar labiau priklauso nuo subsidijų dėl didesnių CAPEX. Todėl šilumos kaina, neįtraukus subsidijų, viršija konkurencingą lygį.
Paros sistemos yra ekonomiškai patrauklesnės, nes CAPEX turi mažesnę įtaką LCOH. Tačiau jų trūkumas tas, kad didžioji dalis šilumos pagaminama žiemą, kai elektros kaina paprastai būna aukštesnė dėl didesnės paklausos ir saulės generacijos stokos.
Galimybė teikti tokias paslaugas kaip rankiniai ar automatiniai dažnio atkūrimo rezervai (mFRR/aFRR) arba lankstumo paslaugos galėtų pagerinti tokių P2H projektų ekonominį gyvybingumą. Tačiau tai nebuvo analizuota šiame tyrime.
Išvados
- Teoriškai paros P2H sistema galėtų padengti visus šilumos paklausos pikus Vilniaus centralizuoto šildymo tinkle, tuo tarpu sezoninė P2H sistema dėl vietos dideliam kaupikliui trūkumo galėtų padengti iki 9 % pikų.
- Paros P2H sistema yra labiau perspektyvi dėl mažesnės CAPEX įtakos šilumos kainai ir žymiai didesnio kaupimo efektyvumo. Paros kaupimo atveju šilumos nuostoliai yra nereikšmingi, o sezoninio kaupimo efektyvumas siekia 70–80 %.
- Sezoninė P2H sistema atrodo įgyvendinama tik tuo atveju, jei taikoma 60 % CAPEX subsidija, nes šioje sistemoje kapitalo sąnaudos sudaro didelę bendrų kaštų dalį.
- Atsižvelgiant į 2023 m. didmenines elektros kainas, analizuotos P2H sistemos negali tiekti šilumos konkurencinga kaina, kuri, remiantis biokuro kainomis, siekia apie 50 €/MWh. Šių sistemų LCOH viršija 100 €/MWh. Tačiau 2023 m. elektros kainos buvo neįprastai aukštos, todėl kainoms stabilizuojantis ir didėjant atsinaujinančios energijos skverbtims, tai galėtų reikšmingai paveikti šių sistemų šilumos kainą, atsižvelgiant į jų gebėjimą naudoti perteklinę elektros energiją.
- Pažymėtina, kad nagrinėtų sistemų LCOH yra gerokai konkurencingesnė, palyginti su šilumos kaina, gaminama dujiniais katilais, kurie šiuo metu dengia paklausos pikus.
Ateities perspektyva
Atsinaujinančiosios centralizuotos šilumos projektų patrauklumą gali padidinti inovatyvios saulės šilumos, šilumos siurblių ir energijos kaupimo technologijos, taip pat naujos kartos žemos temperatūros centralizuoto šildymo sistemos, kurių tiekimo temperatūra siekia 50–70 °C. Šis temperatūros diapazonas yra gerokai žemesnis nei 70–120 °C, naudojamas tradicinėse centralizuoto šildymo sistemose, kaip Lietuvoje. Temperatūros sumažinimas leidžia sumažinti šilumos nuostolius ir sudaro galimybes naudoti žemos kokybės atsinaujinančius šilumos šaltinius, tokius kaip perteklinė atsinaujinančioji elektros energija (P2H) ir saulės šiluminė energija.
Norite sužinoti daugiau? Kreipkitės į mus – [email protected]