Проблемы развития гибридных систем теплоснабжения

В статье обсуждаются актуальные для стран СНГ проблемы трансформации существующих систем централизованного теплоснабжения в рамках развития тенденций интеграции отраслей энергетики, увеличения объемов потребления вторичных энергоресурсов, «обезуглероживания» промышленности и цифровизации экономики. Рассмотрен опыт западноевропейских стран в части перехода к системам теплоснабжения 4-го и 5-го поколений с приданием им свойств гибкости и гибридности, а также свойств «умных энергетических систем». Проанализированы технические аспекты создания гибридных систем управления, приведены обобщенные структурные технологические схемы гибридных систем теплоснабжения и основные мероприятия, реализация которых необходима при их переходе в состояние систем теплоснабжения нового поколения. Отмечается, что гибридность системы теплоснабжения предполагает наличие регенеративных свойств в части производства энергоносителей для использования в смежных системах, в частности это касается водорода. В свою очередь, гибкость системы теплоснабжения во многом реализуется путем развития аккумулятивных свойств, что приводит к инвариантности применения доступных технологий хранения энергии. Утверждается, что, несмотря на постоянно снижающиеся затраты по созданию и эксплуатации системы аккумулирования электроэнергии, системы хранения тепловой энергии остаются приоритетными в теплоснабжении, особенно при использовании возобновляемых источников энергии. Рассмотрен также вопрос применения в системах теплоснабжения электроэнергии как избыточного ресурса объединенных энергетических систем в рамках выравнивания суточного и сезонного графиков потребления энергии. Представлена схема, отражающая технические решения в части применяемого оборудования для осуществления технологии «электроэнергия – теплота». Обсуждается проблема управления системами теплоснабжения нового поколения. Указывается, что для обеспечения требуемых маневренных свойств необходимы разработка и применение новых методов планирования и управления системами теплоснабжения, исключение одноцелевого подхода в организации гибридных систем, благодаря чему проявляется синергетический эффект с новыми возможностями поиска оптимальных решений, направленных на снижение потребления топлива. Показана необходимость создания межсистемного информационного пространства, которое бы включало в себя создание интеллектуальных систем управления технологическими процессами на основе анализа больших объемов данных. Отмечается, что основная цель оперативного управления гибридными тепловыми сетями – достижение динамического баланса между требуемым значением тепловой нагрузки потребителей,  производством тепловой энергии и объемом аккумулирования. Применение гибридных систем в теплоснабжении позволяет решать многофункциональную задачу повышения надежности энергоснабжения и устойчивости функционирования энергосистемы, что в первую очередь достигается решением проблемы балансировки мощностей производства и потребления энергии с позиции выравнивания графиков генерации и потребления энергии. Отдельно выделено рассмотрение перспектив применения гибридных систем теплоснабжения в условиях Республики Беларусь. Показана необходимость проведения дополнительных исследований для адаптации известных и разработки новых технических решений в рамках перехода систем теплоснабжения в новое качество.

1. Future Distric Theating Systems and Technologies: On the Role of Smart Energy Systems and 4th Generation District Heating / H. Lund [et al.] // Energy. 2018. Vol. 165, Part A. P. 614–619. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.09.115.

2. The Status of 4th Generation District Heating: Research and Results / H. Lund [et al.] // Energy. 2018. Vol. 164. P. 147–159. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.08.206.

3. Perspectives on Fourth and Fifth Generation District Heating / H. Lund [et al.] // Energy. 2021. Vol. 227. P. 120520. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120520.

4. Modelling of Waste Heat Integration Into an Existing District Heating Network Operating at Different Supply Temperatures / J. Stock [et al]. Smart Energy. 2023. Vol. 10. P. 100104. https://doi.org/10.1016/j.segy.2023.100104.

5. Latõšov, E. CO2 Emission Intensity of the Estonian DH sector / E. Latõšov, S. Umbleja, A. Volkova // Smart Energy. 2022. Vol. 6. P. 100070. https://doi.org/10.1016/j.segy.2022.100070.

6. Vocabulary for the Fourth Generation of District Heating and Cooling / M. Sulzer [et al.] // Smart Energy. 2021. Vol. 1. P. 100003. https://doi.org/10.1016/j.segy.2021.100003.

7. Performance Analysis of a Hybrid District Heating System: a Case Study of a Small Town in Croatia / R. Mikulandric [et al.] // Journal of Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems. 2015. Vol. 3, Iss. 3. P. 282–302. https://doi.org/10.13044/j.sdewes.2015.03.0022.

8. Rämä, M. Introduction of New Decentralised Renewable Heat Supply in an Existing District Heating System / M. Rämä, M. Wahlroos // Energy. 2018. Vol. 154. P. 68–79. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.03.105.

9. Optimization-Based Operation of District Heating Networks: A Case Study for Two Real Sites / M. Schindler [et al.] // Energies. 2023. Vol. 16. P. 2120. https://doi.org/10.3390/en16052120.

10. Reiter, P. BIG Solar Graz: Solar District Heating in Graz – 500,000 m2 for 20% Solar Fraction / P. Reiter, H. Poier, C. Holter // Energy Procedia. 2016. Vol. 91. P. 578–584. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2016.06.204.

11. Теплоснабжение дома от теплонасосной системы, использующей возобновляемые источники энергии / В. Харченко [и др.] // Научные труды Литовской академии прикладных наук. 2012. № 7. С. 45–52.

12. Domestic Heating With Compact Combination Hybrids (Gas Boiler and Heat Pump): A Simple English Stock Model of Different Heating System Scenarios / G. Bennett // Building Services Engineering Research and Technology. 2021. Vol. 43, Nо 2. P. 143–159. https://doi.org/10.1177/01436244211040449.

13. EnergyPLAN – Advanced analysis of Smart Energy Systems, Smart / H. Lund [et al.] // Smart Energy. 2021. Vol. 1. P. 100007. https://doi.org/10.1016/j.segy.2021.100007.

14. Role of Sustainable Heat Sources in Transition Towards Fourth Generation District Heating – A review / A. M. Jodeiri [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2022. Vol. 158. P. 112156. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112156.

15. Talarek, K. Challenges for District Heating in Poland / K. Talarek, A. Knitter-Piątkowska, T. Garbowski // Discover Energy. 2023. Vol. 3, Nо 5. https://doi.org/10.1007/s43937-023-00019-z.

16. th Generation District Heating (4GDH): Integrating Smart Thermal Grids Into Future Sustainable Energy Systems / H. Lund [et al.] // Energy. 2014. Vol. 68, P. 1–11. https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.02.089.

17. Large-Scale Solar Thermal Systems in Leading Countries: A Review and Comparative Study of Denmark, China, Germany and Austria / D. Tschopp [et al.] // Applied Energy. 2020. Vol. 270. P. 114997. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.114997.

18. Fifth Generation District Heating and Cooling: A Comprehensive Survey / L. Minh Dang [et al.] // Energy Reports. 2024. Vol. 11. P. 1723–1741. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2024.01.037.

19. Overview of Solar Photovoltaic Applications for District Heating and Cooling / S. Sukumaran, J. Laht, A. Volkova // Environmental and Climate Technologies. 2023. Vol. 27, Nо 1. P. 964–979. https://doi.org/10.2478/rtuect-2023-0070.

20. Kubiński, K. Dynamic Model of Solar Heating Plant with Seasonal Thermal Energy Storage / K. Kubiński, Ł. Szabłowski // Renewable Energy. 2020. Vol. 145. P. 2025–2033. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.07.120.

21. Comprehensive Analysis of hot Water Tank Sizing for a Hybrid Solar-Biomass District Heating and cooling / Juan José Roncal-Casano [et al.] // Results in Engineering. 2023. Vol. 18. P. 101160. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2023.101160.

22. Gudmundsson, O. Source-to-sink Efficiency of Blue and Green District Heating and Hydrogen-based Heat Supply Systems / O. Gudmundsson, J. E. Thorsen // Smart Energy. 2022. Vol. 6. P. 100071. https://doi.org/10.1016/j.segy.2022.100071.

23. Седнин, В. А. Анализ эффективности технологии производства водорода на мини-ТЭЦ на местных видах топлива термохимическим методом / В. А. Седнин, Р. С. Игнатович // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2023. T. 66, № 4. P. 354–373. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2023-66-4-354-373.

24. Pesola, A. Cost-Optimization Model to Design and Operate Hybrid Heating Systems – Case Study of District Heating System with Decentralized Heat Pumps in Finland / A. Pesola // Energy. 2023. Vol. 281. P. 128241. https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.128241.

25. Rämä, M. Introduction of New Decentralised Renewable Heat Supply in an Existing District Heating System / M. Rämä, M. Wahlroos // Energy. 2018. Vol. 154. P. 68–79. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.03.105.

26. Tosatto, A. Simulation-Based Performance Evaluation of Large-Scale Thermal Energy Storage Coupled with Heat Pump in District Heating Systems / A. Tosatto, A. Dahash, F. Ochs // Journal of Energy Storage. 2023. Vol. 61. P. 106721. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.106721.

27. Werner, S. Network Configurations for Implemented Low-Temperature District Heating / S. Werner // Energy. 2022. Vol. 254, Part B. P. 124091. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124091.

28. Cascade Sub-Low Temperature District Heating Networks in Existing District Heating Systems / A. Volkova [et al.] // Smart Energy. 2022. Vol. 5. P. 100064. https://doi.org/10.1016/j.segy.2022.100064.

29. A Review of Low-Temperature Sub-Networks in Existing District Heating Networks: Examples, Conditions, Replicability / S. Puschnigg [et al.] // Energy Reports. 2021. Vol. 7, Suppl. 4. P. 18–26. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.09.044.

30. Современное состояние, тенденции и задачи интеллектуализации систем теплоснабжения (обзор) / Н. Н. Новицкий [и др.] // Теплоэнергетика. 2022. № 5. С. 65–83. https://doi.org/10.1134/S0040363622040051.

31. Sednin, A. V. Approach to Data Processing for the Smart District Heating System / A. V. Sednin, A. V. Zherelo // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2022. Т. 65, No 3. С. 240–249. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-3-240-249.

32. Fault and Anomaly Detection in District Heating Substations: A Survey on Methodology and Data sets / M. Neumayer [et al.] // Energy. 2023. Vol. 276. 127569. https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.127569.

33. Intelligent Approaches to Fault Detection and Diagnosis in District Heating: Current Trends, Challenges, and Opportunities / J. van Dreven [et al.] // Electronics. 2023. Vol. 12, Nо 6. P. 1448. https://doi.org/10.3390/electronics12061448.

34. Седнин, А. В. Энергоэффективность применения гибридных тепловых пунктов в условиях интеграции электрических и тепловых сетей городских микрорайонов. Ч. 1: Обоснование целесообразности применения гибридных тепловых пунктов / А. В. Седнин, М. И. Позднякова // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2023. Т. 66, № 6. С. 552–566. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2023-66-6-552-566.