Analiza efektywności hybrydowego źródła energii wykorzystującego energię Słońca, wiatru i geotermii – studium przypadku

W artykule opisano analizę efektowności działania ciepłowni geotermalnej, w której sprężarkowa pompa ciepła wykorzystuje wodę geotermalną jako dolne źródło, a energię napędową wytwarza się lokalnie przy wykorzystaniu siłowni wiatrowej i instalacji fotowoltaicznej. Założono, że moc zainstalowana w pompie ciepła odpowiada zapotrzebowaniu na moc odbiorcy ciepła, a moc zainstalowana w siłowni wiatrowej i instalacji PV może zmieniać się, z założonym dwudziestopięcioprocentowym krokiem, od 0 do 100%. W obliczeniach dopuszczano możliwość współpracy źródła energii elektrycznej z siecią elektroenergetyczną, która mogła okresowo pobierać nadwyżki lub dostarczać niedobory energii elektrycznej. Dokonano optymalizacji źródła energii przyjmując, że optymalizowaną funkcją celu będzie prosty czas zwrotu nakładów inwestycyjnych, a optymalizacji dokonano metodą bezpośrednią. Najkrótszym czasem zwrotu (5, 4 lat) cechuje się wariant z turbiną wiatrową o mocy zainstalowanej równej 25% maksymalnego zapotrzebowania na moc napędową dla pompy ciepła, bez fotowoltaiki. Parametry systemu ciepłowniczego odpowiadają rzeczywistym parametrom roboczym istniejącej ciepłowni geotermalnej w Mszczonowie. Założono utrzymanie stałej temperatury, do której schłodzona zostanie woda geotermalna. Z szacunkowych kosztów wynika, że każdy z analizowanych wariantów, cechuje się relatywnie niskim czasem zwrotu przewidzianych nakładów inwestycyjnych (poniżej 10 lat), w stosunku do wariantu zakładającego zakup energii elektrycznej z sieci.

---

In this study, the efficiency of a geothermal heating plant was analyzed, where a compressor heat pump utilizes geothermal water as the lower heat source, while the driving energy is generated locally using a wind turbine and a photovoltaic (PV) installation. It was assumed that the installed capacity of the heat pump corresponds to the heat consumer’s power demand, while the installed capacity of the wind turbine and PV installation can vary, with a set step of twenty-five percent, from 0 to 100%. The calculations allowed for the possibility of cooperation between the electrical energy source and the power grid, which could periodically consume surplus energy or supply energy shortages. The optimization of the energy source was carried out, assuming that the objective function to be optimized was the simple payback period of investment expenditures, and the optimization was performed using a direct method. The shortest payback period (5.4 years) was found in the variant with a wind turbine installed at 25% of the maximum power demand for the heat pump. The heating system parameters correspond to the actual operating parameters of the existing geothermal heating plant in Mszczonów. It was assumed that the geothermal water would be cooled to a constant target temperature. Cost estimate indicates that the energy produced in the heating plant would be competitive with the analyzed referenced variant has a relatively short payback period for the planned investment expenditures (below 10 years) compare to purchase of the electricity from the grid.