Перспективы применения тепловых накопителей в коммунальной энергетической инфраструктуре

Бойко Екатерина Евгеньевна   Бык Феликс Леонидович   Иванова Елизавета Михайловна   Илюшин Павел Владимирович   

Статья опубликована в журнале «Проблемы прогнозирования» (ISSN: 0868-6351 (Print), ISSN: 3034-0071 (Online)), №3 2024

RUEN
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ В КОММУНАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЕ

БОЙКО Екатерина Евгеньевна, к.т.н., e.boyko1991@yandex.ru, Институт энергетических исследований, Российская академия наук, Москва; Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия
ORCID: 0000-0001-6142-039X

БЫК Феликс Леонидович, к.т.н., felixbyk@hotmail.com, Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия
ORCID: 0000-0002-6878-9461

ИВАНОВА Елизавета Михайловна, lizai2000@mail.ru, Научно-образовательный центр «Интеллектуальная энергия», Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия
ORCID: 0000-0002-7963-2283

ИЛЮШИН Павел Владимирович, д.т.н., ilyushin.pv@mail.ru, Институт энергетических исследований, Российская академия наук, Москва, Россия
ORCID: 0000-0002-5183-3040

Аннотация. Одним из направлений повышения энергоэффективности при производстве электрической и тепловой энергии является применение когенерационных установок (КГУ), что обусловлено увеличением доли полезного отпуска тепловой энергии в системы теплоснабжения. На крупных теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), как правило, применяют паротурбинные установки, служащие источниками тепловой энергии для отопления и горячего водоснабжения в городах с высокой концентрацией тепловой нагрузки. В малых и средних городах основными источниками тепловой энергии являются котельные. С появлением на рынке современных газопоршневых и газотурбинных установок можно прогнозировать создание на их основе мини-ТЭЦ. Для повышения их топливной эффективности целесообразно использовать в составе коммунальной энергетической инфраструктуры сезонные тепловые накопители (ТН) с целью снижения объемов тепловых выбросов в межотопительный период.

Ключевые слова: система теплоснабжения, мини-ТЭЦ, когенерационная установка, тепловой накопитель, коммунальная энергетическая инфраструктура, топливная эффективность.

DOI: 10.47711/0868-6351-204-56-65

Финансирование: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-29-10171, URL: https://rscf.ru/project/23-29-10171/ и гранта № р-57 Правительства Новосибирской области в Новосибирском государственном техническом университете.

Статья поступила в редакцию 27.11.2023. Статья принята к публикации 20.12.2023.

Для цитирования: Е.Е. Бойко, Ф.Л. Бык, Е.М. Иванова, П.В. Илюшин. Перспективы применения тепловых накопителей в коммунальной энергетической инфраструктуре // Проблемы прогнозирования. 2024. № 3 (204). С. 56-65. DOI: 10.47711/0868-6351-204-56-65

PROSPECTS FOR THE USE OF THERMAL STORAGE IN MUNICIPAL ENERGY INFRASTRUCTURE

E.E. BOYKO, Cand. Sci. (Tech.), Energy Research Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
ORCID: 0000-0001-6142-039X

F.L. BYK, Cand. Sci. (Tech.), Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia
ORCID: 0000-0002-6878-9461

E.M. IVANOVA, Intellectual Energy Scientific and Educational Center, Novosibirsk State
Technical University, Novosibirsk, Russia
ORCID: 0000-0002-7963-2283

P.V. ILYUSHIN, Doct. Sci. (Tech.), Energy Research Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
ORCID: 0000-0002-5183-3040

Abstract. One of the areas for increasing energy efficiency in the production of electrical and thermal energy is the use of cogeneration units (CGU), which is due to an increase in the share of useful heat output to heat supply systems. Large combined heat and power plants (CHPs), as a rule, use steam turbine units, which serve as sources of thermal energy for heating and hot water supply in cities with a high concentration of heat load. In small and medium-sized cities, the main sources of thermal energy are boiler houses. With the advent of modern gas piston and gas turbine units on the market, it is possible to predict the creation of mini-CHPs based on them. To increase their fuel efficiency, it is advisable to use seasonal thermal storage (TS) as part of the municipal energy infrastructure in order to reduce the volume of thermal emissions during the nonheating period.

Keywords: heat supply system, mini-CHP, cogeneration unit, thermal storage, municipal energy infrastructure, fuel efficiency

DOI: 10.1134/S1075700724030031

Funding: The research was supported by a grant from the Russian Science Foundation no. 23-29-10171, https://rscf.ru/project/23-29-10171/ and a grant no. r-57 from the Government of Novosibirsk oblast at the Novosibirsk State Technical University.

Received 27.11.2023. Accepted 20.12.2023.

For citation: E.E. Boyko, F.L. Byk, E.M. Ivanova, and P.V. Ilyushin. Prospects for the Use of Thermal Storage in Municipal Energy Infrastructure // Studies on Russian Economic Development. 2024. Vol. 35. No. 3. Pp. 357–364. DOI: 10.1134/S1075700724030031

Литература/References

  1. Бойко Е.Е., Бык Ф.Л., Илюшин П.В., Мышкина Л.С. Эффективность теплоснабжения муниципальных образований // Известия РАН. Энергетика. 2023. № 4. С. 66-78. [Bojko E.E., Byk F.L., Ilyushin P.V., Myshkina L.S. Heat Efficiency in Municipalities // Izvestiya Rossiiskoi akademii nauk. Energetika. 2023. No. 4. Pp. 66‑78. (In Russ.)]. DOI: 10.31857/S0002331023040040.
  2. Города России. 2011-2023. URL: города-россия.рф
  3. Бык Ф.Л., Илюшин П.В., Мышкина Л.С. Прогноз и концепция перехода к распределенной энергетике в России // Проблемы прогнозирования. 2022. № 4 (193). С. 124-135. [Byk F.L., Ilyushin P.V., Myshkina L.S. Forecast and Concept for the Transition to Distributed Generation in Russia // Problemy prognozirovaniya. 2022. No. 4(193). Pp. 124-135. (In Russ.)] DOI: 10.47711/0868-6351-193-124-135.
  4. Шлапаков В. Проблемы теплоснабжения в постреформенной российской энергетике // Энергетика и промышленность России. 2022. № 6 (386). URL: https://www.eprussia.ru/epr/386/4450194.htm [Shlapakov V. Problemy teplosnabzshrenia v postreformennoi rossiiskoi energetike // Energetika i promyshlennost Rossii. 2022. No. 6 (386). (In Russ.)]
  5. Богданов А.Б. Национальные показатели энергоэффективности России. Некоммерческое партнерство инженеров АВОК. URL: https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=4648 [Bogdanov A.B. Nacional’nye pokazateli jenergojeffektivnosti Rossii. Nekommercheskoe partnerstvo inzhenerov AVOK. (In Russ.)]
  6. GazEcos. 2023. URL: https://www.gazecos.ru/microturbines.html
  7. Navarro J.P.J., Kavvadias K.C., Quoilin S., Zucker A. The joint effect of centralised cogeneration plants and thermal storage on the efficiency and cost of the power system // Energy. 2018. No. 149. Pp. 535-549.
  8. Ali H., Tauseef-Ur-Rehman, Arıcı M. et al. Advances in thermal energy storage: Fundamentals and applications // Progress in Energy and Combustion Science. 2023. No. 100. Р. 101109.
  9. Lepiksaar K. et al. Improving CHP flexibility by integrating thermal energy storage and power-to-heat technologies into the energy system // Smart Energy. 2021. No. 2. Р. 100022.
  10. Holmér P. et al. Impacts of thermal energy storage on the management of variable demand and production in electricity and district heating systems: a Swedish case study // International Journal of Sustainable Energy. 2020. No. 39. Pp. 446-464.
  11. Mahon H., O’Connor D., Friedrich D., Hughes B. A review of thermal energy storage technologies for seasonal loops // Energy. 2022. No. 239. Р. 122207.
  12. Schüppler S., Fleuchaus P., Blum P. Techno-economic and environ-mental analysis of an Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) in Germany // Geothermal Energy. 2019. No. 7. Pp. 1-24.
  13. Beaufait R. et al. Techno-Economic Analysis of a Seasonal Thermal Energy Storage System with 3-Dimensional Horizontally Directed Boreholes // Thermo. 2022. No. 2. Pp. 453-481.
  14. Cariaga C. Aquifer thermal storage project planned in Berlin, Germany. ThinkGeoEnergy. 11.09.2023. URL: https://www.thinkgeoenergy.com/aquifer-thermal-storage-project-planned-in-berlin-germany/
  15. Fleuchaus P., Schüppler S., Bloemendal M., Guglielmetti L., Opel O., Blum P. Risk analysis of high-temperature aquifer thermal energy storage (HT-ATES) // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2020. No. 133. Р. 110153.
  16. Bakr M., van Oostrom N., Sommer W. Efficiency of and interference among multiple Aquifer Thermal Energy Storage systems; A Dutch case study // Renewable Energy. 2013. No. 60. Pp. 53-62.
  17. Talarek K., Knitter-Piątkowska A., Garbowski T. Challenges for district heating in Poland // Discover Energy. 2023. No. 3. DOI: 10.1007/s43937-023-00019-z. URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s43937-023-00019-z
  18. Drijver B., Bakema G., Oerlemans P. State of the art of HT-ATES in The Netherlands / European Geothermal Congress: Proceedings. Den Haag, Netherlands, 2019. URL: https://www.researchgate.net/publication/348526569
  19. 19. Бердников Р., Холкин Д., Чаусов И. Оптимизация систем энергоснабжения удаленных и изолированных территорий за счет управления энергетической гибкостью // Энергетическая политика. 25.01.2023. URL: https://energypolicy.ru/optimizacziya-sistem-energosnabzheniya-udalennyh-i-izolirovannyh-territorij-za-schet-upravleniya-energeticheskoj-gibkostyu/energetika/2023/17/25/ [Berdnikov R., Holkin D., Chausov I. Optimizacija sistem jenergosnabzhenija udalennyh i izolirovannyh territorij za schet upravlenija jenergeticheskoj gibkost’ju. Jenergeticheskaja politika. 25.01.2023. (In Russ.)] URL: https://energypolicy.ru/optimizacziya-sistem-energosnabzheniya-udalennyh-i-izolirovannyh-territorij-za-schet-upravleniya-energeticheskoj-gibkostyu/energetika/2023/17/25/
  20. Султангузин И.А., Христенко Б.А., Чайкин В.Ю., Яцюк Т.В., Кругликов Д.А., Яворовский Ю.В., Нечаев А.Н., Скоробатюк А.В. Сезонный аккумулятор теплоты и холода для системы энергоснабжения здания // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2021. № 3. С. 39-44. [Sultanguzin I.A., Hristenko B.A., ChajkinV.Ju., Jacjuk T.V., Kruglikov D.A., Javorovskij Ju.V., Nechaev A.N., Skorobatjuk A.V. Sezonnyj akkumuljator teploty i holoda dlja sistemy jenergosnabzhenija zdanija. Santehnika, Otoplenie, Kondicionirovanie. 2021. No. 3. Pp. 39-44. (In Russ.)]
  21. Li Z. et al. Applications and technological challenges for heat re-covery, storage and utilization with latent thermal energy storage // Applied Energy. 2021. No. 283. Р. 116277.
  22. Guelpa E., Verda V. Thermal energy storage in district heating and cooling systems: A review // Applied Energy. 2019. No. 252. Р. 113474.
  23. Akhmetov B. et al. Thermal energy storage systems – review // Bulgarian Chemical Communication. 2016. No. 48. Pp. 31-40.
  24. Hayatina I., Auckaili A., Farid M. Review on the Life Cycle Assessment of Thermal Energy Storage Used in Building Applications // Energies. 2023. No. 16. Pp. 1170-1186.
  25. Li Z. et al. Applications and technological challenges for heat recovery, storage and utilisation with latent thermal energy storage // Applied Energy. 2021. No. 283. Р. 116277.
  26. Podara C.V., Kartsonakis I.A., Charitidis C.A. Towards phase change materials for thermal energy storage: classification, improvements and applications in the building sector // Applied sciences. 2021. No. 11. Рр. 1490-1515.
  27. Danehkar S., Yousefi H. A comprehensive overview on water-based energy storage systems for solar applications // Energy Reports. 2022. No. 8. Рp. 8777-8797.
  28. Портал осезонном хранении тепла. URL: https://www.saisonalspeicher.de/home/projekte/projekte-in-deutschland/hannover/ [Portal o sezonnom hranenii tepla].