Connecting district heating networks in different pressures

Abstract

The energy sector is under developmental pressure due to energy transition away from fossil fuels and burning based energy generation. This affects the district heating (DH) sector with new requirements as urbanization increases demand for energy services. New heat and electricity market challenges established market actors and increases efficiency demand towards district heating networks (DHN). Renewable energy resources (RES) production and its variability increase demand for a more synergistic approach from DHN operators to increase ability to incorporate better waste heat utilization and heat transfer efficiency. These developments require actions towards a more flexible energy network between multiple stakeholders and ability to store energy for later usage. The thesis discusses the feasibility to connect hydraulically separated parts of Helsinki DHN as one DHN that could be operated together in all demand conditions. The goal for unification is to reduce heat transfer losses from heat exchangers (HE) between DHNs and network flexibility from reduced bottlenecks around the DHN. Next generation DH developments are easier to implement into more flexible DHN. The thesis considers DH systems and its future development according to current scientific and industrial literature on the topic along with industrial partners and senior engineering experience on the subject. In practice testing was used to confirm the feasibility of DHN unification with limited changes. Results were used to define next actions and required topics to investigate during the following development project.

Energiasektorin muutos kohti hiilineutraaliutta ja irtautuminen polttamiseen perustuvasta lämmöntuotannosta asettaa uusia vaatimuksia kaukolämpö toiminnalle kaupungistuvassa maailmassa, mikä megatrendinä lisää energiapalveluiden kysyntää. Muuttuva tuotanto- ja markkinaympäristö yhdessä ympäristökysymysten kanssa pakottaa kaukolämmön tuottajat siirtymään pois fossiilista polttoaineista kohti polttamisvapaata lämmöntuotantoa. Tämä asettaa kasvavia tehokkuus vaatimuksia lämmöntuotannolle ja -jakelulle, jossa synergiat eri toimijoiden välillä tulevat entistä tärkeämmiksi hukkaenergian hyötykäytön ja siirron energiatehokkuuden suhteen. Uusien tuotantomuotojen vaihteleva tuotantoprofiili luo tarvetta lisätä energiajärjestelmän joustavuutta ja kykyä siirtää energiaa tehokkaasti tuottajien ja tarvitsijoiden kesken sekä varastoida energiaa myöhempää käyttöä varten. Työn tavoitteena on selvittää Helsingin kaukolämpöverkon hydraulisesti erotettujen verkkojen yhdistämisen teknistä mahdollisuutta kaikissa tuotantotilanteissa eri vuodenaikoina ja sen edellyttämiä toimenpiteitä. Yhdistämisellä tavoitellaan energiansäästöhyötyjä kaukolämpöverkossa lämmönvaihdinhäviöiden pienenemisen kautta. Verkossa olevien pullonkaulojen vähentämisen kautta pyritään parantamaan järjestelmän joustavuutta tulevaisuudessa sekä helpottamaan tulevaisuuden kehitystoimintaa seuraavan sukupolven verkkoja kohti. Työssä tutustuttiin kaukolämpöjärjestelmään, tähän liittyviin lämmityslaitteistoihin, lämmönsiirron teoriaan alan tieteellistä kirjallisuutta ja toimittajien aineistoa sekä alalla pitkään toimineiden asiantuntijoiden haastatteluita hyödyntäen. Verkkojen yhdistäminen Helsingissä todettiin teknisesti mahdolliseksi suoritettujen kokeiden pohjalta rajallisin muutoksin kaukolämpöverkolle ja tuotantojärjestelmälle. Työssä selvitettiin ja kerättiin saatujen tietojen ja kokemusten pohjalta implementoinnin edellyttämät toimenpiteet ja jatkotutkimustarpeet uudistukselle.