Techno-economic analysis of seasonal thermal energy storages in public real estates

Abstract

The object of the study was to develop an Excel-model to evaluate and compare the economic potential of seasonal energy storages. The model is used for dimensioning four different storage options to store the additional heat demand required during the heating period, when circa 80 % of the annual heat demand is covered with a heat pump. The stored energy originates from extracted heat during cooling period and heat from ambient air produced by the heat pump.

The technical applicability of the storage systems was evaluated based on the geological and hydrological features. The study investigated the techno-economic potential of seasonal storage options for selected real estates. The Excel-model evaluates the investment costs and achieved annual savings for the case real estates, including the increase in electricity consumption. The storage investment costs, savings and payback periods were compared.

The study found a technically applicable storage type for seven out of 12 real estates, from which five out of seven were economically potential with a payback period less than 15 years. The specific costs were influenced the most by the applied storage type. The annual savings were influenced by the ratio between cooling and heating demand and by the efficiency of the storage. The study found that the heating and cooling demand, and the heating system requirements had a significant impact on the economic potential at the investigated real estates.

Työn tavoitteena on tehdä Excel-työkalu lämmön kausivarastojen taloudellisen kannattavuuden arviointiin ja vertailuun. Työkalussa mitoitetaan neljä eri varastoratkaisua varastoimaan lämmityskauden lisälämmöntarve, kun noin 80 % vuotuisesta lämmöntarpeesta tuotetaan ilmalämpöpumpulla. Työkalussa varastoitava energia on peräisin jäähdytyksessä poistetusta lämmöstä ja lämpöpumpulla ulkoilmasta tuotetusta lämmöstä.

Varastoratkaisujen tekninen soveltuvuus arvioitiin kiinteistökohtaisesti geologisten ja hydrologisten ominaisuuksien perusteella. Työssä selvitettiin teknisesti ja taloudellisesti sovellettavissa olevat kausivarastoratkaisut. Työkalu arvioi sovellettaville varastoille investointikustannukset ja vuotuiset säästöt lisääntynyt sähköntarve huomioiden. Varastoja vertailtiin investointikustannusten, säästöjen ja yksinkertaisten takaisinmaksuaikojen avulla.

Työssä löydettiin teknisesti sovellettavissa oleva varastotyyppi seitsemään 12 kiinteistöstä, joista viisi seitsemästä olivat taloudellisesti kannattavia alle 15 vuoden yksinkertaisella takaisinmaksuajalla. Ominaisinvestointikustannuksiin vaikutti eniten sovellettava varastotyyppi. Vuotuisiin säästöihin vaikuttivat jäähdytystarpeen määrä suhteessa lämmitystarpeeseen, sekä varaston hyötysuhde. Tutkimus osoitti, että kiinteistön lämmitys- ja jäähdytysenergiantarve, sekä lämmitysjärjestelmän vaatimukset vaikuttivat merkittävästi investoinnin taloudelliseen kannattavuuteen tarkasteltavissa kiinteistöissä.