liu.seSearch for publications in DiVA
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Increased use of district heating in industrial processes - Impacts on heat load duration
Linköping University, Department of Management and Engineering, Energy Systems. Linköping University, The Institute of Technology.
Linköping University, Department of Management and Engineering, Energy Systems. Linköping University, The Institute of Technology.
Linköping University, Department of Management and Engineering, Energy Systems. Linköping University, The Institute of Technology.
2009 (English)In: Applied Energy, ISSN 0306-2619, E-ISSN 1872-9118, Vol. 86, no 11, 2327-2334 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Current knowledge of the potential for an increased use of industrial district heating (DH) due to conversions of industrial processes to DH is limited. In this paper, a Method for Heat Load Analysis (MeHLA) for exploring industrial DH conversions has been developed. This method can be a helpful tool for analyzing the impact different industrial processes have on the local DH system, when processes that utilize electricity and other fuels, convert to utilizing DH instead. Heat loads for different types of industries and processes are analyzed according to characteristics such as temperature levels and time dependency. MeHLA has been used to analyze 34 Swedish industries and the method demonstrates how conversion of industrial processes to DH can result in heat load duration curves that are less outdoor temperature-dependent and more evenly distributed over the year. An evenly distributed heat load curve can result in increased annual operating time for base load DH plants such as cogeneration plants, leading to increased electricity generation. In addition to the positive effects for the DH load duration curve, the conversions to DH can also lead to an 11% reduction in the use of electricity, a 40% reduction in the use of fossil fuels and a total energy end-use saving of 6% in the industries. Converting the industrial processes to DH will also lead to a potential reduction of the global carbon dioxide emissions by 112,000 tonnes per year.

Place, publisher, year, edition, pages
2009. Vol. 86, no 11, 2327-2334 p.
Keyword [en]
District heating, heat load duration curve, industrial heat load, global CO2
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:liu:diva-17212DOI: 10.1016/j.apenergy.2009.03.011OAI: oai:DiVA.org:liu-17212DiVA: diva2:207454
Available from: 2009-03-11 Created: 2009-03-11 Last updated: 2017-12-13Bibliographically approved
In thesis
1. Efficient heat supply and use from an energy-system and climate perspective
Open this publication in new window or tab >>Efficient heat supply and use from an energy-system and climate perspective
2009 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

The aim of this thesis is to illustrate whether the heat demand in district heating systems can be seen as a resource that enables efficient energy utilization, how this can be achieved and to discuss consequences of this assumption. Based on the answers to posed research questions and on the studies included in this thesis, it is concluded that the hypothesis “A common system approach for energy supply and heat demand will show climate and economic efficient solutions” is true.

In cold-climate countries, energy for heating of buildings is essential and heating options that interplay with the power system through electricity use or generation have potential for efficiency improvements. In Sweden, district heating is used extensively, especially in large buildings but to a growing extent also for small houses. Some industrial heat loads and absorption cooling can complement space heating demand so that the production resources may be more evenly utilised during the seasons of the year.

Rising electricity prices in recent years cause problems for the extensive use of electric heating in Sweden and further switching to district heating should be a possible option. To be economically favourable, district-heating systems require a certain heat load density. New low-energy houses and energy-efficiency measures in existing buildings decrease the heat demand in buildings and, thus, in district heating systems. Optimisation models have been used in several studies of large, complex energy systems. Such models allow scenarios with changing policy instruments and changed consumer behaviour to be analysed. Energy efficiency measures as well as good conditions for efficient electricity generation, which can replace old, inefficient plants, are needed to reduce carbon dioxide emissions from the energy sector.

Results when having a European energy perspective to studies of changes in Sweden differ from when having for example a Swedish energy system perspective The effects on global carbon dioxide emissions, when studying combined heat and power electricity generation in Sweden, are greater than it is on local emissions.

Abstract [sv]

Eftersom höjda elpriser under senare år orsakar problem för den stora användningen av elvärme, kommer ytterligare konvertering till fjärrvärme att vara ett möjligt alternativ. För att vara ekonomiskt fördelaktigt kräver fjärrvärme en viss värmetäthet. Nya lågenergihus och energieffektiviseringsåtgärder i befintliga byggnader minskar värmebehovet i byggnaderna och då även i fjärrvärmesystemen.Syftet med denna avhandling är att visa om värmebehovet i fjärrvärmesystem kan betraktas som en resurs som möjliggör ett effektivt energiutnyttjande, hur detta i så fall kan uppnås och att diskutera följderna av att göra ett sådant antagande. Baserat på svaren på ställda forskningsfrågor och studier som genomförts har hypotesen som lyder; En gemensam systemsyn för både tillförsel och användning av energi för uppvärmningsändamål leder till ekonomiskt såväl som ur klimatsynpunkt effektiva lösningar, visat sig stämma.

I länder med kallt klimat är energi för uppvärmning av byggnader viktigt och uppvärmningsalternativ som samverkar med elsystemet genom elanvändning eller elproduktion har potential för effektivitetsförbättringar. I Sverige är fjärrvärmeanvändningen utbredd, speciellt i större byggnader men användningen ökar också i småhus. Vissa industriella värmelaster och absorptionskyla kan fungera som komplement till andra värmebehov i fjärrvärmesystem så att produktionsresurser kan användas mer jämnt fördelat över året.

Optimeringsmodeller har använts i flera studier för stora, komplexa energisystem. I dessa kan scenarier med olika styrmedel och förändrad energianvändning analyseras. Nya användningsområden för spillvärme, som att använda värme till absorptionskyla och att växla från olja och el till fjärrvärme i industriella processer kan också studeras. Energieffektiviseringsåtgärder såväl som bra förutsättningar för effektiv elproduktion, som kan ersätta gamla ineffektiva anläggningar behövs för att minska koldioxidutsläppen från energisektorn.

Resultaten då ett europeiskt energisystemperspektiv använts, för att studera förändringar i Sverige, skiljer sig från när endast ett svenskt systemperspektiv använts. Påverkan på globala koldioxidutsläpp, då elproduktion från kraftvärme i Sverige studeras, är större än vad påverkan på lokala utsläpp är.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2009. 72 p.
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 1242
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-17219 (URN)978-91-7393-694-1 (ISBN)
Public defence
2009-03-06, A35, hus A,, Campus Vall, Linköpings universitet, Linköping, 10:15 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2009-03-11 Created: 2009-03-11 Last updated: 2009-03-11Bibliographically approved
2. District Heating and CHP: Local Possibilities for Global Climate Change Mitigation
Open this publication in new window or tab >>District Heating and CHP: Local Possibilities for Global Climate Change Mitigation
2010 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Global warming, in combination with increasing energy demand and higher energy prices, makes it necessary to change the energy use. To secure the energy supply and to develop sustainable societies, construction of energy-efficient systems is at the same time most vital. The aim of this thesis is therefore to identify how a local energy company, producing district heating (DH), district cooling (DC) and electricity in combined heat and power (CHP) plants, can contribute to resource-efficient energy systems and cost-effective reductions of global carbon dioxide (CO2) emissions, along with its customers. Analyses have been performed on how a local energy company can optimise their DH and DC production and what supply-side and demand-side measures can lead to energy-efficient systems in combination with economic and climate change benefits. The energy company in focus is located in Linköping, Sweden. Optimisation models, such as MODEST and reMIND, have been used for analysing the energy systems. Scenario and sensitivity analyses have also been performed for evaluation of the robustness of the energy systems studied. For all analyses a European energy system perspective was applied, where a fully deregulated European electricity market with no bottlenecks or other system failures was assumed.

In this thesis it is concluded that of the DH-supply technologies studied, the biomass gasification applications and the natural gas combined cycle (NGCC) CHP are the technologies with the largest global CO2 reduction potential, while the biomass-fuelled plant that only produces heat is the investment with the smallest global CO2 reduction and savings potential. However, the global CO2 reduction potential for the biomass integrated gasification combined cycle (BIGCC) CHP and NGCC CHP, the two technologies with highest electricity efficiencies, is highly dependent on the assumptions made about marginal European electricity production. Regarding the effect on the DH system cost the gasification application integrated with production of renewable biofuels (SNG) for the transport sector is the investment option with the largest savings potential for lower electricity prices, while with increasing electricity prices the BIGCC and NGCC CHP plants are the most cost-effective investment options. The economic outcome for biomass gasification applications is, however, dependent on the level of policy instruments for biofuels and renewable electricity. Moreover, it was shown that the tradable green certificates for renewable electricity can, when applied to DH systems, contribute to investments that will not fully utilise the DH systems’ potential for global CO2 emissions reductions.

Also illustrated is that conversion of industrial processes, utilising electricity and fossil fuels, to DH and DC can contribute to energy savings. Since DH is mainly used for space heating, the heat demand for DH systems is strongly outdoor temperature-dependent. By converting industrial processes, where the heat demand is often dependent on process hours instead of outdoor temperature, the heat loads in DH systems can become more evenly distributed over the year, with increased base-load heat demand and increased electricity generation in CHP plants as an outcome. This extra electricity production, in combination with the freed electricity when converting electricity-using processes to DH, can replace marginal electricity production in the European electricity market, resulting in reduced global CO2 emissions.

Demonstrated in this thesis is that the local energy company, along with its customers, can contribute to reaching the European Union’s targets of reducing energy use and decreasing CO2 emissions. This can be achieved in a manner that is cost-effective to both the local energy company and the customers.

Abstract [sv]

Den globala uppvärmningen i kombination med ett ökat energibehov och stigande energipriser gör det nödvändigt att förändra energianvändningen. Energieffektiva system är samtidigt en förutsättning för att kunna säkra energitillförseln och utveckla hållbara samhällen. Fjärrvärme har en viktig roll att fylla i den här omställningen. I fjärrvärmesystemen kan värmeresurser som annars kan vara svåra att nyttiggöras, som till exempel spillvärme och förbränning av avfall tas tillvara. Fjärrvärme kan även bidra till elproduktion i kraftvärmeverk där totalverkningsgraden är högre än vid separat el- respektive värmeproduktion. En omställning av energisystemet till en ökad användning av fjärrvärme och minskad användning av el genom effektiviseringar och konverteringar från olja och el till fjärrvärme kan bidra till att skapa energieffektiva system.

Syftet med den här avhandlingen är att identifiera hur ett lokalt energibolag som producerar fjärrvärme, fjärrkyla och el i kraftvärmeverk kan bidra till att skapa energieffektiva system och kostnadseffektiva globala koldioxidreduktioner tillsammans med sina kunder. Det energibolag som framförallt har studerats i den här avhandlingen är Tekniska Verken i Linköping AB. För att optimera energibolagets fjärrvärme- och fjärrkylaproduktion har energisystemanalyser genomförts, där både åtgärder på tillförsel- och användarsidan har studerats. Genom att se energiförsörjningen ur ett systemperspektiv kan man undvika att ekonomiska och miljömässiga vinster vid en anläggning ersätts av förluster någon annanstans. Optimeringsmodeller, som MODEST och reMIND, har använts för energisystemanalyserna där även scenarier och känslighetsanalyser har inkluderats. För alla energisystemanalyser har ett europeiskt energisystemperspektiv använts där en totalt avreglerad europeisk elmarknad utan flaskhalsar eller andra systemfel antagits.

Slutsatser från analyserna är att det lokala energibolaget kan bidra till kostnadseffektiva globala koldioxidreduktioner genom ett effektivt nyttjande av bränslen i kraftvärmeanläggningar och i bioraffinaderier. Speciellt kraftvärmeanläggningar med hög elverkningsgrad, som t.ex. biomasseförgasning- och naturgaskombianläggningar, har en betydande global koldioxidreduktionspotential. Även biomasseförgasningsanläggningar som är integrerade med produktion av förnybara drivmedel för transportsektorn har visat sig kostnadseffektiva med stor potential att reducera de globala koldioxidutsläppen. Styrmedel har dock en stor påverkan på det ekonomiska utfallet för förgasningsanläggningarna.

Dessutom har studierna visat att energibesparingar kan åstadkommas genom att konvertera el och fossilbränsledrivna industriella processer till fjärrvärme och fjärrkyla. Eftersom fjärrvärme framförallt används för lokaluppvärmning är värmelasten i fjärrvärmesystem säsongsbetonad. Genom att konvertera industriella processer som inte är utetemperaturberoende till fjärrvärme kan fjärrvärmelasten bli mindre säsongsbetonad och mer jämt fördelad över året. En jämt fördelad värmelast är fördelaktig för driften av fjärrvärmeanläggningar och kan bidra till mer elproduktion i kraftvärmeanläggningar. Den extra elproduktionen, tillsammans med den el som blivit tillgänglig efter konvertering av eldrivna processer till fjärrvärme, kan ersätta europeisk marginalelsproduktion vilket kan reducera de globala koldioxidutsläppen.

Det som har framkommit av dessa studier är att det lokala energibolaget, tillsammans med sina kunder, kan bidra till att uppfylla de mål den Europeiska Unionen har angående reduktionen av energianvändningen och koldioxidutsläppen. Dessutom kan detta ske på ett kostnadseffektivt sätt för både energibolaget och dess kunder.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköpings universitet, 2010. 77 p.
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 1336
Keyword
District heating, combined heat and power, carbon dioxide emissions, optimisation, energy policies
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-58716 (URN)978-91-7393-325-4 (ISBN)
Public defence
2010-10-08, ACAS, A-huset, Campus Valla, Linköpings universitet, Linköping, 10:15 (Swedish)
Opponent
Supervisors
Available from: 2010-09-01 Created: 2010-08-23 Last updated: 2010-09-01Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textLink to Ph.D. Thesis

Authority records BETA

Difs, KristinaDanestig, MariaTrygg, Louise

Search in DiVA

By author/editor
Difs, KristinaDanestig, MariaTrygg, Louise
By organisation
Energy SystemsThe Institute of Technology
In the same journal
Applied Energy
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 353 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf