《Energy》：Sizing optimization of district heating components with High-Temperature Aquifer Thermal Energy Storage: Techno-economic analysis for different renewable energy levels
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大卫·格斯（David Geerts）|刘文（Wen Liu）|亚历山德罗斯·达尼利迪斯（Alexandros Daniilidis）|格特·扬·克拉默（Gert Jan Kramer）
哥白尼可持续发展研究所（Copernicus Institute of Sustainabl
大卫·格斯（David Geerts）|刘文（Wen Liu）|亚历山德罗斯·达尼利迪斯（Alexandros Daniilidis）|格特·扬·克拉默（Gert Jan Kramer）
哥白尼可持续发展研究所（Copernicus Institute of Sustainable Development），海德堡路8号（Heidelberglaan 8），3584 CS，乌得勒支（Utrecht），荷兰
摘要
区域供热系统必须通过用可持续替代品取代基于化石燃料的热源来实现脱碳。由于季节性的供需不匹配，因此需要季节性热能储存来充分利用可再生能源的潜力。高温含水层热能储存（HT-ATES）提供了一个有前景的解决方案，但其成本效益的部署需要与可持续热源进行协调设计，而这一点在文献中关注较少。本研究对结合了深层地热能、太阳能集热器、HT-ATES和燃气锅炉的区域供热系统进行了技术经济分析和可再生能源占比分析。我们通过聚类确定了不同气候条件下的代表性热需求曲线，以确保研究结果的广泛适用性。研究表明，热需求曲线对区域供热的成本效益至关重要。结果显示，在大多数情况下，与天然气锅炉相比，HT-ATES更具成本效益，尤其是与地热源结合使用时。总体而言，地热能比太阳能集热器更具经济优势。然而，要实现100%的可再生能源供应在成本上是不划算的，因为这需要额外的巨大容量来应对有限的额外负荷，使得成本比99%的可再生能源占比情况下增加15%。然而，使用地热能，只需增加5%的成本即可达到90%的可再生能源占比。这些见解为区域供热系统的设计者、运营者和政策制定者提供了关于最佳组件尺寸的指导，并促进了HT-ATES在支持区域供热脱碳方面的有效应用。
引言
减少温室气体排放至关重要，而供暖和制冷占全球建筑能源使用的约65%[1]，其中大部分能源来自化石燃料[2]。此外，预计到2050年大多数人将居住在城市[3]，因此区域供热（DH）系统特别适用。目前的DH系统主要依赖化石燃料，需要向可再生能源过渡[1]、[4]。
存在多种可再生能源热源，如垃圾焚烧、太阳能热能和地热能[5]。然而，这些技术的热供应往往与热需求不匹配。例如，在寒冷气候下，太阳能热能具有季节性，而垃圾焚烧热能和地热能则可以全年运行。热需求在季节和地理上也有差异，导致热供应和需求之间的季节性不匹配。
热能储存（TES）可以解决这种季节性不匹配问题，但对于DH系统而言，储存技术必须具备大规模和成本效益。地下季节性热能储存（USTES）技术因其所需表面积小而适用；例如钻孔热能储存（BTES）和洞穴热能储存（CTES），Yang等人[6]提供了相关项目的概述。本研究重点关注高温含水层热能储存（HT-ATES），它将热量储存在含水层中[7]、[8]。
大多数含水层热能储存（ATES）系统在低于25°C的温度下运行，通常用于单个建筑[7]。然而，这一温度对于需要更高运行温度的DH系统来说是不够的。HT-ATES在高于25°C的温度下运行，可以作为低温ATES的更有效替代方案，因为它可以直接为DH系统提供热量。
在科学文献中，关于优化可再生能源热源和HT-ATES尺寸的研究很少。这表明在HT-ATES和可再生能源热源的尺寸如何影响DH系统的经济效益方面存在显著的知识空白。为了有效利用这两种能源，必须协调它们的尺寸，并理想情况下一起进行优化，因为不适当的尺寸可能会带来经济损失[9]。一些研究优化了DH热源的尺寸，重点关注CHP[10]、[11]、热泵[12]、太阳能集热器（STC）[13]、[14]和生物质[15]等技术，但这些研究没有包括季节性热能储存（STES）。一些研究确实包括了STES，其中BTES与CHP和STC结合使用[16]、[17]、[18]、[19]，而坑式热能储存（PTES）也与STC和CHP结合使用[20]、[21]。然而，针对带有HT-ATES的DH系统的优化研究仍然有限。许多研究仅关注HT-ATES本身，预测其效率[22]、[23]、[24]，分析最大容量[25]或优化井位[26]、[27]。只有少数研究考虑了DH系统中的HT-ATES[28]、[29]、[30]，但没有关注系统的整体尺寸优化。
需求曲线对系统尺寸的影响是另一个重要的知识空白。据作者所知，之前的研究均未考虑需求曲线对DH系统尺寸优化的影响。研究表明，不同地点的热需求存在显著差异[31]，无论是供暖季节的长度还是热需求峰值都与平均需求不同。由于热需求因地点而异，因此最佳解决方案也因地点和需求曲线而异。
基于上述讨论，现有研究主要关注HT-ATES的优化，而对供热系统的动态影响研究较少。有必要了解可再生能源供应规模与HT-ATES规模以及在不同热需求曲线下的DH系统性能之间的关系。本研究的新颖之处在于同时优化不同需求曲线下的HT-ATES和可再生能源的尺寸。为了实现研究目标，采取了以下研究步骤：（1）应用来自55个独特地理位置的三种不同的年度热需求曲线，以代表不同的热需求曲线；（2）分析组件尺寸和需求曲线对DH系统的经济性和排放相关性能的影响。对于使用可再生能源热源和HT-ATES的DH系统，确定最佳组件尺寸以最小化平准化热成本（LCOH），并探讨增加可再生能源占比（RES）的影响；
章节摘录
方法概述
评估了一个包含以下组件的DH系统：深层地热双联系统（称为地热）、太阳能集热器（STC）、HT-ATES和燃气锅炉。通过优化不同可再生能源占比（RES）下的各个组件尺寸来优化DH系统的平准化热成本（LCOH），并对最佳点进行了进一步分析。具体步骤如下：
热需求聚类
选定的地点的热需求被分为三个簇（详见附录A中的簇细分）。这些簇在供暖季节长度和峰值与平均需求比率方面存在差异。簇1的供暖季节较长（6个月），峰值适中（仅比平均需求高4倍）；簇2的供暖季节较短，但峰值较高；簇3的供暖季节非常短，需求峰值非常大。
讨论
在本研究中，我们重点关注了使用HT-ATES作为储存技术的各种DH组件的最佳尺寸优化。然而，其他USTES技术也是可供比较的相关替代方案。与BTES相比，HT-ATES在储存相同能量的成本上预计更低[50]，但其适用范围较窄，因为它需要含水层[51]。Welsch等人[16]在分析结合BTES和STC的系统时观察到了类似的热成本模式：
结论
本研究展示了通过使用不同的代表性需求曲线、不同的可再生能源占比（RES）来优化热源和高温含水层热能储存（HT-ATES）的尺寸，以最小化系统平准化热成本（LCOH），并进一步分析了有前景的系统配置。不同的热需求曲线显著影响了区域供热（DH）组件的尺寸优化及其相应的平准化热成本（LCOH）。
CRediT作者贡献声明
大卫·格斯（David Geerts）：撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、概念化。刘文（Wen Liu）：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。亚历山德罗斯·达尼利迪斯（Alexandros Daniilidis）：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。格特·扬·克拉默（Gert Jan Kramer）：撰写——审阅与编辑、监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作由欧盟的Horizon Europe计划资助（授权号：1011096566）。然而，所表达的观点仅代表作者本人，并不一定反映欧盟或CINEA的观点。欧盟和CINEA对此不承担任何责任。
