Ανάλυση λειτουργίας συστήματος με αποθήκευση θερμικής ενέργειας μεγάλης κλίμακας και αξιολόγηση της επίδρασής του στη βιωσιμότητα μιας τοπικής ενεργειακής κοινότητας

Abstract

One of the most crucial factors for energy transition and the incorporation of renewable energy sources into the existing energy map is citizen engagement. Local energy communities (LECs), cooperative-based coa-litions aimed at reducing the carbon footprint of the residential building sector, have received increasing atten-tion in the past decade. This is because residential buildings account for almost half of the total energy con-sumed worldwide. A resounding 75% is used for thermal energy consumption, heating and cooling, and bath-ing. The scope of this study is to provide an overview of the research field regarding Thermal LECs, using both a thorough literature review as well as bibliometric analysis (VOS viewer and Litmaps software), in order to validate the findings of the review (Chapters 2 and 3). The results indicate a collective scarcity of literature in the field of thermal/cooling energy communities, despite their proven value to the energy transition. However, the main focus of the literature worldwide is explicitly on electrical LECs, despite the significant increase in natural gas and oil prices, which creates instability in the heating and cooling prices. A substantial lack of directives, research background, state initiatives, and tools specifically designed for creating and maintaining LECs (Chap-ter 4) which incorporate thermal/cooling energy production, storage and distribution systems, was also ob-served.This doctoral dissertation presents a collective three-layered tool for decision-making for potential TLECs (Chapter 5). The 1st layer proposes a unified approach to classifying energy prosumers (consumers who produce and consume energy) using conventional methodologies (RenewIslands, Kaya Identity). A case study is presented to design a fully operating LEC in Kimmeria, Greece, in which both the traditional methods of clas-sifying users are applied and the proposed methodology, in comparison (Chapter 6). The 2nd and 3rd layers refer to the dimensioning and economic assessment of the distributed energy system that will cover the thermal and cooling needs of the 1st layer. The 2nd layer is the superstructure design of the TLEC, where a map approach is introduced and explores several combinations of the selected equip-ment, how they will interact to meet the heating and cooling loads, and how they will form the superstructure. The 3rd is the economic assessment of the proposed scenario. The results indicate a significant improvement to the conventional solutions, which tend to overestimate the needed equipment, leading to extensive installation and operational costs. The application of the proposed mathematical tool (HDLM) is presented in Chapters 5 and 6, while the last Chapter of this doctoral dissertation is the Conclusions and Suggestions for Further study.

Ένας από τους πιο κρίσιμους παράγοντες για την επιτυχή ενεργειακή μετάβαση και την ενσωμάτωση των ανα-νεώσιμων πηγών ενέργειας στον υφιστάμενο ενεργειακό χάρτη είναι η συμμετοχή των πολιτών. Οι τοπικές ενερ-γειακές κοινότητες (EK), οι οποίες είναι ενεργειακοί συνασπισμοί πολιτών με στόχο τη μείωση του ανθρακικού αποτυπώματος στον κτιριακό τομέα, τυγχάνουν αυξανόμενης προσοχής την τελευταία δεκαετία. Αυτό συμβαίνει επειδή ο κτιριακός τομέας αντιπροσωπεύει σχεδόν το ήμισυ της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται πα-γκοσμίως (40%), με το 25% αυτης να καλυπτει αναγκες ηλεκτρικής ενέργειας. Το υπόλοιπο ηχηρό 75% του, χρησιμοποιείται για κατανάλωση θερμικής και ψυκτικής ενέργειας καθώς και κάλυψη αναγκών ζεστού νερού χρήσης. Ωστόσο, η κύρια εστίαση της βιβλιογραφίας παγκοσμίως μέχρι σήμερα είναι ρητά εστιασμένη στις ηλε-κτρικές ΕΚ (electrical local energy communities – ELECs), παρά το γεγονός ότι η σημαντική αύξηση των τιμών του φυσικού αερίου και του πετρελαίου, δημιουργεί αστάθεια στις τιμές θέρμανσης και ψύξης. Στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής παρέχεται αρχικά τόσο μία ολοκληρωμένη επισκόπηση του ερευνητικού πεδίου σχετικά με τις θερμικές ΕΚ (thermal local energy communities – TLECs) χρησιμοποιώντας λεπτομερείς ανασκοπήσεις βιβλιογραφίας και βιβλιομετρική ανάλυση (λογισμικό VOS viewer – 2ο και 3ο Κεφάλαιο) όσο και ένα συστηματι-κό εργαλείο σχεδιασμού θερμικών ΕΚ (5ο Κεφάλαιο). Τα αποτελέσματα της βιβλιογραφικής επισκόπησης κατα-δεικνύουν συλλογική έλλειψη βιβλιογραφίας στον τομέα των ΕΚ θερμικής/ψυκτικής ενέργειας, παρά την εντεινό-μενη συμμετοχή τους στην ενεργειακή μετάβαση. Παρατηρείται επίσης σημαντική έλλειψη οδηγιών, ερευνητικού υποβάθρου και εφαρμογών, εθνικών πρωτοβουλιών και εργαλείων σχεδιασμού ειδικά για τη δημιουργία, ανά-πτυξη και συντήρηση TLECs (4ο Κεφάλαιο) που ενσωματώνουν συστήματα παραγωγής, αποθήκευσης και δια-νομής θερμικής/ψυκτικής ενέργειας.Στο πλαίσιο έλλειψης συστηματικού εργαλείου σχεδιασμού ΕΚ, η παρούσα διδακτορική διατριβή προ-τείνει ένα ολιστικό, ενιαίο, μαθηματικώς ορισμένο και ανθρωποκεντρικά προσανατολισμένο εργαλείο σχεδια-σμού. Το προτεινόμενο εργαλείο χωρίζεται σε τρία επίπεδα, το 1ο Επίπεδο προτείνει μια υβριδική προσέγγιση για την ταξινόμηση των παραγωγαναλωτών (καταναλωτές που παράγουν και καταναλώνουν ενέργεια) αναβαθμί-ζοντας υφιστάμενες μεθοδολογίες (RenewIslands, Kaya Identity) με χρήση αλγορίθμων ομαδοποίησης, στατι-στικών κατανομών και ασαφών συνόλων. Εφαρμόζοντας το προτεινόμενο εργαλείο, παρουσιάζεται μια μελέτη περίπτωσης σχεδιασμού μίας πλήρως λειτουργικής ΕΚ στα Κιμμέρια, Ξάνθης (6ο Κεφάλαιο). Το 2ο και το 3ο Επίπεδο αναφέρονται στη διαστασιολόγηση και οικονομική αξιολόγηση του κατανεμη-μένου ενεργειακού συστήματος που θα καλύψει τις θερμικές και ψυκτικές ανάγκες του 1ου Επιπέδου. Το 2ο Επί-πεδο εξυπηρετεί στο σχεδιασμό υπερδομής της ΕΚ, όπου μέσω της χρήσης πινάκων αληθείας διερευνώνται υβριδικοί συνδυασμοί επιλεγμένου εξοπλισμού, η αλληλεπίδρασή τους για ανταπόκριση στα φορτία θέρμανσης και ψύξης, ο τελικός σχηματισμός της υπερδομής και η παράθεση του υδραυλικού ισοδυνάμου της. Στο 3ο Επί-πεδο γίνεται η οικονομική αξιολόγηση της προτεινόμενης υπερδομής. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν σημαντι-κή βελτίωση σε σχέση με τις συμβατικές λύσεις, οι οποίες τείνουν να υπερεκτιμούν τον απαραίτητο εξοπλισμό, οδηγώντας σε εκτεταμένο κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας.