Integracija PV-a i plitkih geotermalnih izvora energije u rezidencijalnim mikromrežama

Poslijediplomski studij

izv. prof. Luka Perković

Amalia Lekić Brettschneider, mag. ing. petrol.

Održivi razvoj ima nekoliko ključnih elemenata: dijagnosticiranje trenutnog stanja industrijskih i stambenih sustava, uključivanje mapiranja potreba za opskrbom toplinom i električnom energijom, kao i mogućnostima proizvodnje električne energije. Od lipnja 2020. u Europi je instalirano preko dva milijuna geotermalnih dizalica topline (EGEC, 2020). Švedska, Njemačka, Francuska i Švicarska zemlje su s najviše instaliranih plitkih geotermalnih (PG) sustava za dobivanje toplinske energije, što čini 64% svih instaliranih kapaciteta u Europi (Perez, 2020). Integracija PV-a i geotermalnih dizalica topline može se koristiti za troškovno efikasnu dekarbonizaciju potrošnje energije u sektoru kućanstava. Integracija potražnje za grijanjem, hlađenjem i električnom energijom i opskrbom obnovljivom električnom energijom može dovesti do poboljšane toplinske rekuperacije geotermalnog ležišta i niskom godišnjom toplinskom degradacijom ležišta.

 

20200515 1

Slika 1. Shema mikromreže koja se sastoji od obiteljskih kuća, PV sustava, toplinskih pumpi i plitkig geotermalnih sustava; DSO - Operator distribucijskog sustava (eng. Distribution System Operator)

Korištenjem modela RES2GEO (Perković et al., 2021.) provedena je analiza hipotetske rezidencijalne mikromreže. Simulirana je jedna godina s vremenskim korakom od jednog sata. U svakom satu je izračunata ravnoteža toplinskih i električnih tokova snage, a plitko geotermalno ležište je modelirano metodom konačnih elemenata u zasebnom dvodimenzionalnom modelu.

20200515 2

Figure 2. Shematski prikaz modela ležišta s koaksijalnim bušotinskim izmjenjivačem topline

Bušotinski izmjenjivač je koaksijalnog tipa, a parametri mikromreže su: 20 kuća s godišnjom potražnjom toplinske energije u iznosu od 281 MWh, rashladne energije 30 MWh i električne energije 81 MWh. Parametri instaliranih komponenata sustava su: snaga PV-a 160 kW, grijača 80 kW i 16 bušotina duljine 100 m. Rezultati pokazuju da PV može služiti za toplinsku regeneraciju plitkog geotermalnog ležišta, čime ujedno predstavlja i sustav odziva potrošnje za iskorištavanje energije iz PV-a koja bi inače bila izgubljena, odn. skraćena (eng. curtailment).

20210525 3

 

Figure 3. Tokovi energije unutar jedne godine: pozitivne vrijednosti predstavljaju dobavu, a negativne potražnju za energijom; opis boja: narančasta - PV; plava - uvoz; zelena - grijač; crvena - toplinska pumpa; ljubičasta - cirkulacijska pumpa; smeđa - potražnja za električnom energijom; roza - izvoz; siva - skraćenje proizvodnje PV-a

Za ilustraciju sezonskih promjena u teperaturi ležišta, gdje je temperatura ležišta definirana kao prosječna temperatura ležišta unutar polumjera od jednog metra od bušotinskog izmjenjivača, provedena je dodatna 20-godišnja simulacija.

20210525 4

Figure 4. Reservoir temperature for the period of 20 years, as an average temperature of the reservoir in the radius of 1 meter from the borehole heat exchanger; color code blue - instantaneous temperature; red - annual average; red dotted - initial reservoir temperature

Vidljivo je da temperatura unutar jedne godine ležišta oscilira amplitudom od 4 °C. Prosječna temperatura ležišta pada značajno unutar prvih pet godina, posebno u prvoj godini u kojoj pad iznosi oko 2.5 °C.

Zaključak je da je višak električne energije proizveden iz PV-a, koji bi inače bio skraćen (nemogućnost preuzimanja od strane operatora distribucijskog sustava), moguće koristiti za toplinsku rekuperaciju ležišta u smislu odziva potrošnje. Time se istovremeno efikasno može dekarbonizirati dobava električne i toplinske energije.

Literatura:

EGEC Geothermal, Available: https://www.egec.org/the-geothermal-energy-market-grows-exponentially-but-needs-the-right-market-conditions-to-thrive/. (accessed 2 December 2020)..

Pérez, R.E. European Federation of Geologists, Available: https://eurogeologists.eu/esteban-shallow-geothermal-energy-geological-energy-for-the-ecological-transition-and-its-inclusion-in-european-and-national-energy-policies/. (ac-cessed 1 December 2020)..

Perković, Luka : Integration of Photovoltaic Electricity with Shallow Geothermal Systems for Residential Microgrids: Proof of Concept and Techno-Economic Analysis with RES2GEO Model, Energies 2021, 14(7), 1923; https://doi.org/10.3390/en14071923

_________________________________________________________________________________

Izv. prof. dr. sc. Luka Perković

Izvanredni profesor na Rudarsko-geološko naftnom fakultetu, nositelj jednog kolegija na poslijediplomskom studiju. Područje istraživanja je vezano uz energetsko planiranje i integraciju obnovljivih izvora energije u energetske sustave.

Amalia Lekić Brettschneider, mag. ing. petrol.

Doktorandica i asistentica na Rudarsko-geološko-naftnom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu. Tema doktorskog rada joj je vezana uz procjenu mogućnosti dekarbonizacije energetskih sustava korištenjem znanja iz naftnog inženjerstva i energetskog planiranja..

E-portfolio: moodle.srce.hr/eportfolio/user/view.php?id=40334

Publons: publons.com/researcher/3979448/luka-perkovic/

Facebook: www.facebook.com/luka.perkovic

CROSBI: www.bib.irb.hr/pretraga?operators=and|Perkovi%C4%87,%20Luka%20%2824723%29|text|profile