Solar PV Integrated with Seasonal Thermal Storage and District Heating
(2023) MVKM01 20231Department of Energy Sciences
- Abstract
- In order to contribute to reaching the climate goals of the future, power-to-heat (P2H) technologies are a possible solution. A heat pump (HP) or an electric boiler (EB) can be used to produce warm water by utilising cheap electricity from photovoltaic (PV) parks in the summer when there are many hours of sunlight. The warm water can then be stored until winter for use in district heating (DH) when the heat demand is big. This thesis investigates whether this is economically viable and what the most impactful factors are on the business case, as well as which P2H technology and which type of storage is most promising. This is done by designing a model in Microsoft Excel which allows different system configurations to be tested. The... (More)
- In order to contribute to reaching the climate goals of the future, power-to-heat (P2H) technologies are a possible solution. A heat pump (HP) or an electric boiler (EB) can be used to produce warm water by utilising cheap electricity from photovoltaic (PV) parks in the summer when there are many hours of sunlight. The warm water can then be stored until winter for use in district heating (DH) when the heat demand is big. This thesis investigates whether this is economically viable and what the most impactful factors are on the business case, as well as which P2H technology and which type of storage is most promising. This is done by designing a model in Microsoft Excel which allows different system configurations to be tested. The investigations show that the pit heat storage seems most suitable for this type of system, and that whether the HP or EB is the best choice depends on the local conditions. It seems like the EB is most suitable for situations where a low number of operating hours are desired, while the HP is better suited for a high number of operating hours. The most sensitive parameters appear to be the heat sales price and storage capital expenditures. The spot price distribution also affects the results a lot, and so the results depend on how much the spot prices will vary in the future and how high they will be. The DH fuel costs are also an important factor, as they determine which heat sales price is acceptable on the market. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Världen har kommit en bit på vägen mot en grönare framtid, men mer behöver göras för att nå klimatmålen. En viktig del av lösningen är fler förnyelsebara energikällor, såsom solceller. Problemet med solceller i Sverige är dock att solen skiner som mest på sommaren, när elpriserna är låga, och knappt alls på vintern, när elpriserna är höga. Därför hade det varit bra med en lösning som möjliggör att använda den billiga elen från sommaren på ett annat sätt för att öka lönsamheten.
Förnyelsebara energikällor är nödvändigt för att fortsätta den gröna omställningen, och en mycket lovande teknik är solceller. Solceller är på väg att bli den billigaste elproduktionstekniken i världen, men i Sverige utgör den endast 1 % av elproduktionen, även... (More) - Världen har kommit en bit på vägen mot en grönare framtid, men mer behöver göras för att nå klimatmålen. En viktig del av lösningen är fler förnyelsebara energikällor, såsom solceller. Problemet med solceller i Sverige är dock att solen skiner som mest på sommaren, när elpriserna är låga, och knappt alls på vintern, när elpriserna är höga. Därför hade det varit bra med en lösning som möjliggör att använda den billiga elen från sommaren på ett annat sätt för att öka lönsamheten.
Förnyelsebara energikällor är nödvändigt för att fortsätta den gröna omställningen, och en mycket lovande teknik är solceller. Solceller är på väg att bli den billigaste elproduktionstekniken i världen, men i Sverige utgör den endast 1 % av elproduktionen, även om andelen väntas öka i framtiden. Ett problem är dock att Sverige har gott om soltimmar under sommaren, men mycket färre under vintern. Dessutom är elpriserna generellt högre under vintern än sommaren, vilket inte gynnar lönsamheten för solparker. En lösning på det här problemet skulle kunna vara att utnyttja power-to-heat-teknologi och säsongslager. Med hjälp av en värmepump eller elpanna kan man använda elen som produceras under sommaren för att värma upp vatten, som sedan kan lagras till vintern och säljas till fjärrvärmenätet när värmebehovet är stort.
Det här examensarbetet undersöker om det är ekonomiskt lönsamt och vilka faktorer som påverkar affärsfallet mest, samt vilken power-to-heat-teknologi och vilken sorts lagerteknik som är mest lovande. Undersökningarna visar att grophålslager verkar passa den här sortens system bäst, baserat på investeringskostnader och temperaturnivåer på det lagrade vattnet. Det är också tydligt att extra el behöver köpas in från elnätet utöver solelen om man vill tillgodose ett visst fjärrvärmebehov. Resultatet visar även att lokala förutsättningar avgör om en värmepump eller elpanna är det bästa valet. Elpannan verkar vara mest lämplig när ett lågt antal drifttimmar önskas, till exempel om man vill utnyttja överbliven el från solparken som inte kan säljas till elnätet för att den inte “får plats” till följd av elnätsbegränsningar. Värmepumpen är å andra sidan bättre lämpad för ett högt antal drifttimmar, vilket bland annat kan vara fallet när man vill tillfredsställa ett visst fjärrvärmebehov.
Det ska nämnas att resultaten påverkas mycket av vissa parametrar. Elpriserna spelar stor roll, och det bör tas hänsyn till att de beräknas bli mer oförutsägbara och varierande i framtiden. Lagerkostnaden är också en viktig faktor och det kan påverka resultatet positivt om man lyckas hitta en ännu billigare lösning. Dessutom kommer de framtida priserna på bränslen som fjärrvärmeföretagen använder sig av att spela stor roll, eftersom de avgör vilket säljpris för värme som är acceptabelt på marknaden. Sammanfattningsvis kan man dock säga att det finns möjligheter för lönsamhet för ett sådant här system. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9127817
- author
- Thalén, Lovisa LU and Ekström, Hannah LU
- supervisor
-
- Marcus Thern LU
- organization
- course
- MVKM01 20231
- year
- 2023
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- Solar PV, power-to-heat, heat pump, electric boiler, thermal seasonal storage, district heating
- report number
- LUTMDN/TMHP-23/5535-SE
- ISSN
- 0282-1990
- language
- English
- id
- 9127817
- date added to LUP
- 2023-06-20 11:37:21
- date last changed
- 2023-06-22 09:35:30
@misc{9127817,
abstract = {{In order to contribute to reaching the climate goals of the future, power-to-heat (P2H) technologies are a possible solution. A heat pump (HP) or an electric boiler (EB) can be used to produce warm water by utilising cheap electricity from photovoltaic (PV) parks in the summer when there are many hours of sunlight. The warm water can then be stored until winter for use in district heating (DH) when the heat demand is big. This thesis investigates whether this is economically viable and what the most impactful factors are on the business case, as well as which P2H technology and which type of storage is most promising. This is done by designing a model in Microsoft Excel which allows different system configurations to be tested. The investigations show that the pit heat storage seems most suitable for this type of system, and that whether the HP or EB is the best choice depends on the local conditions. It seems like the EB is most suitable for situations where a low number of operating hours are desired, while the HP is better suited for a high number of operating hours. The most sensitive parameters appear to be the heat sales price and storage capital expenditures. The spot price distribution also affects the results a lot, and so the results depend on how much the spot prices will vary in the future and how high they will be. The DH fuel costs are also an important factor, as they determine which heat sales price is acceptable on the market.}},
author = {{Thalén, Lovisa and Ekström, Hannah}},
issn = {{0282-1990}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Solar PV Integrated with Seasonal Thermal Storage and District Heating}},
year = {{2023}},
}