Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Wie bereits in früheren Projekten gezeigt wurde, lässt sich durch die Kopplung einer solarthermischen Anlage mit einem Biomassekessel in einem Fernwärmenetz der Holzverbrauch erheblich reduzieren. Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist es, Bemessungsregeln sowie Hydraulik- und Regelungsschemata aufzustellen, die es ermöglichen, die Kopplung von Solar- und Holzanlagen ohne negative Auswirkungen auf den Betrieb der Holzfeuerungsanlage (Anstieg der Schadstoffemissionen, Verringerung des Wirkungsgrads usw.) und ohne negative Auswirkungen auf die Rentabilität des Fernwärmenetzes zu realisieren. Diese Dimensionierungsregeln werden den Planern helfen, ihre Anlagen optimal zu dimensionieren. Schließlich wird eine vergleichende Studie durchgeführt, um eine solarthermische Lösung mit einer photovoltaischen Lösung in Kombination mit einer Wärmepumpe zu vergleichen.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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As it has already been shown in previous projects, the coupling of a solar thermal installation with abiomass boiler on a district heating network allows to reduce the wood consumption significantly. Theaim of the proposed project is to establish sizing rules as well as hydraulic and control schemes allowingto realize the solar/wood coupling without any negative impact on the operation of the wood-firedinstallation (increase of pollutant emissions, decrease of efficiency, etc.), and without any negativeimpact on the profitability of the district heating network. These sizing rules will help planners to optimallysize their installations. Finally, a comparative study will be conducted to compare a solar thermalsolution with a photovoltaic solution combined with a heat pump.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Comme cela a déjà été montré dans des projets précédents, le couplage d’une installation solaire thermique avec une production de chaleur à bois sur un réseau de chauffage à distance (CAD) permet de réduire la consommation de bois de manière significative. Le but du projet proposé est d’établir les règles de dimensionnement ainsi que les schémas hydrauliques et de régulation permettant de réaliser le couplage solaire/bois sans que le fonctionnement de l’installation à bois soit péjoré (hausse des émissions de polluants, baisse de rendement, etc.), et sans péjorer la rentabilité du CAD. Ces règles de dimensionnement aideront les planificateurs à dimensionner leurs installations de manière optimale. Enfin une étude sera menée afin de comparer une solution solaire thermique avec une solution photovoltaïque combiné à une pompe à chaleur.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Die Kopplung einer thermischen Solaranlage mit einer Holzheizung an ein Fernwärmenetz (CAD) ermöglicht eine erhebliche Senkung des Brennstoffverbrauchs, wie die Ergebnisse mehrerer früherer Studien gezeigt haben. Das Projekt OptiCADSol hatte zum Ziel, genaue Dimensionierungsregeln festzulegen, optimierte Hydraulikschemata zu entwerfen und geeignete Regelungsstrategien zu entwickeln, um Solarenergie effizient in Biomasseheizwerke zu integrieren, ohne deren Wirkungsgrad oder die Rentabilität des Netzes zu beeinträchtigen. In diesem Zusammenhang wurden mehrere Holz-Solar-Integrationsarchitekturen entworfen und unter TRNSYS modelliert, um ihre Energieeffizienz, Emissionen und Kosten anhand einer Sensitivitätsanalyse einer Reihe repräsentativer Konstruktionsvariablen zu bewerten. Die Simulationen ermöglichten den Vergleich verschiedener Integrationsschemata und Speichervolumina sowie die Analyse des Verhaltens des Solarsystems und seiner Auswirkungen auf den Betrieb der Holzkessel. Die Studie wurde anschliessend um zwei alternative Lösungen erweitert, die Photovoltaik, Wärmepumpe und Biomasse kombinieren, um die Unterschiede in der technischen und wirtschaftlichen Leistung der verschiedenen Ansätze zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kombination von Holz und Solarthermie im untersuchten Referenzfall den jährlichen Holzverbrauch um mehr als 27 % bei einem Solaranteil von etwa 25 % senken kann, während gleichzeitig die NOx- und Feinstaubemissionen reduziert und die CO-Emissionen der Heizzentrale leicht erhöht werden. Unter den verschiedenen untersuchten Konfigurationen zeichnete sich das Schema der Serienintegration mit dediziertem Solarspeicher durch die beste Solarproduktivität und die niedrigsten Wärmegestehungskosten (LCOH) aus. Mit den derzeit verfügbaren Fördermassnahmen und dem aktuellen Brennstoffpreisniveau wird solarthermische Wärme wettbewerbsfähiger als Wärme aus Biomasse allein und positioniert sich bei Biomasse-Wärmekosten unter 120 CHF/MWh günstig gegenüber Wärmepumpenlösungen. Die Vergleichsstudie zwischen zwei Klimazonen (Ponts-de-Martel und Payerne) ermöglichte es, das Konzept unter günstigeren Bedingungen, aber mit einer geringeren Nachfrage, einer besseren Solarproduktivität und einer stärkeren Verminderung des Holzverbrauchs zu realisieren. Die Auswirkungen der Abschreibungen auf die Investitionen in die verschiedenen Technologien beeinflussen jedoch das wirtschaftliche Potenzial jeder Hybridlösung, sei es Holz-Solarthermie oder Holz mit Luftwärmepumpe und PV. Auf nationaler Ebene würde eine allgemeine Einführung dieser Holz-Solar-Hybridsysteme, die 25 % des Bedarfs der Fernwärmenetze decken, Einsparungen von etwa 700 GWh/Jahr an Holz ermöglichen, was 4,3 % des nutzbaren Potenzials entspricht, und bis 2050 mit dem prognostizierten Wachstum der Netze bis zu 1 TWh/Jahr. All diese Faktoren bestätigen, dass die Holz-Solar-Hybridisierung einen realistischen und leistungsstarken Weg darstellt, um zur Dekarbonisierung der Fernwärme in der Schweiz beizutragen. Es handelt sich um eine Lösung, die tatsächlich in der Lage ist, Energieeffizienz, Reduzierung der lokalen Emissionen und nachhaltige Nutzung der Holzressourcen in Einklang zu bringen.
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Schlussbericht
(Englisch)
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Combining a solar thermal installation with wood-fired heat production in a district heating network (DH) can significantly reduce fuel consumption, as shown by the results of several previous studies. The OptiCADSol project aimed to define precise sizing rules, design optimized hydraulic diagrams, and develop appropriate control strategies to effectively integrate solar energy into biomass boiler rooms without compromising their efficiency or the profitability of the network. Within this framework, several woodsolar integration architectures were designed and modelled using TRNSYS in order to evaluate their energy performance, emissions, and costs through a sensitivity analysis on a set of representative design variables. The simulations made it possible to compare different integration schemes and storage volumes, as well as to analyze the behaviour of the solar system and its impact on the operation of wood boilers. The study was then expanded to include two alternative solutions combining photovoltaics, heat pumps, and biomass in order to evaluate the differences in technical and economic performance between the different approaches. The results show that combining wood and solar thermal energy can reduce annual wood consumption by more than 27% in the reference case studied, while also reducing NOx and fine particle emissions and slightly increasing the plant's CO emissions. Among the various configurations studied, the series integration scheme with dedicated solar storage stood out for its higher solar productivity and lowest levelized cost of heat (LCOH). With the incentives currently available and the current fuel price level, solar thermal heat can be more competitive than heat from biomass alone, and is well positioned compared to heat pump solutions for biomass heat costs below 120 CHF/MWh. The comparative study between two climatic zones (Ponts-de-Martel and Payerne) made it possible to extend the concept to more favourable conditions but with lower demand, with better solar productivity and a greater reduction in wood consumption. However, the effects of investment depreciation in the various technologies impact the economic potential of each hybrid solution, whether wood-solar thermal or wood with outdoor air heat pumps and PV. On a national scale, widespread adoption of these woodsolar hybrid systems covering 25% of district heating needs would save around 700 GWh/year of wood, or 4.3% of the remaining exploitable resource, and up to 1 TWh/year by 2050 with the expected growth of district heating networks. All these factors confirm that wood-solar hybridization is a realistic and effective way to contribute to the decarbonization of district heating in Switzerland. It is a solution with real potential to reconcile energy efficiency, local emissions reduction, and sustainable use of wood resources.
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Schlussbericht
(Französisch)
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Le couplage d'une installation solaire thermique avec une production de chaleur à bois sur un réseau de chauffage à distance (CAD) permet de réduire significativement la consommation de combustible, comme l'ont montré les résultats de plusieurs études antérieures. Le projet OptiCADSol a visé à définir des règles précises de dimensionnement, à concevoir des schémas hydrauliques optimisés et à développer des stratégies de régulation adaptées permettant d’intégrer efficacement l’énergie solaire dans les chaufferies biomasse, sans compromettre leur rendement ni la rentabilité du réseau. Dans ce cadre, plusieurs architectures d’intégration bois-solaire ont été conçues et modélisées sous TRNSYS afin d’évaluer leur performance énergétique, leurs émissions et leurs coûts à travers une analyse de sensibilité sur un ensemble de variables de conception représentatives. Les simulations ont permis de comparer différents schémas d’intégration et volumes de stockage, ainsi que d’analyser le comportement du système solaire et son impact sur le fonctionnement des chaudières à bois. L’étude a ensuite été élargie pour inclure deux solutions alternatives combinant photovoltaïque, pompe à chaleur et biomasse, afin d’évaluer les différences de performance technique et économique entre les différentes approches. Les résultats montrent que le couplage bois-solaire thermique permet de réduire dans le cas de référence étudié la consommation annuelle de bois de plus de 27 %, pour une fraction solaire d’environ 25 %, tout en diminuant les émissions de NOx et de particules fines et en augmentant légèrement les émissions CO de la centrale. Parmi les différentes configurations étudiées, le schéma d’intégration en série avec stockage solaire dédié s’est distingué par sa meilleure productivité solaire et son coût de chaleur actualisé (LCOH) le plus bas. Avec les mesures d’incitation actuellement disponibles et le niveau de prix du combustible actuel, la chaleur solaire thermique devient plus compétitive que la chaleur issue de la biomasse seule, et se positionne favorablement par rapport aux solutions à pompe à chaleur pour des coûts de la chaleur biomasse inférieurs à 120 CHF/MWh. L’étude comparative entre deux zones climatiques (Ponts-de-Martel et Payerne) a permis d’éteindre le concept à des conditions plus favorables mais avec un demande inferieure, avec une meilleure productivité solaire et une réduction accrue de la consommation de bois. Cependant, les effets des amortissements des investissement dans les différentes technologies impactent le potentiel économique de chaque solution hybrides, qu'elle soit bois-solaire thermique ou bois avec PAC sur air extérieur et PV. À l’échelle nationale, une généralisation de ces systèmes hybrides bois-solaire couvrant 25 % des besoins des CAD permettrait d’économiser environ 700 GWh/an de bois, soit 4,3 % du potentiel exploitable, et jusqu’à 1 TWh/an à l’horizon 2050 avec la croissance prévue des réseaux. Tous ces éléments permettent de confirmer que l’hybridation bois-solaire représente une voie réaliste et performante pour contribuer à la décarbonation du chauffage à distance en Suisse. C'est une solution dotée des capacités réelles à concilier efficacité énergétique, réduction des émissions locales et valorisation durable de la ressource en bois.
Zugehörige Dokumente
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