Economic and environmental viability of central solar heating plants with seasonal storage in the European residential sector: A systematic multi-objective optimization approach

Abstract

Alineant-se amb l'ambiciós paquet de mesures de la UE per 2030 que pretén reduir les emissions de gasos d'efecte hivernacle i reemplaçar les fonts de calor convencionals amb fonts renovables dins de nuclis urbans, les plantes centralitzades de calefacció solar amb emmagatzemament estacional (CSHPSS) es troben entre les tecnologies més prometedores per estalviar energia en els sectors industrial i residencial-comercial. Aquest treball presenta una avaluació exhaustiva de la possibilitat d'integrar CSHPSS al sector residencial de diversos estats membres de la UE a través d'un enfocament sistemàtic d'optimització d'aquests sistemes tenint en compte els criteris econòmics i ambientals. Aquest enfocament incorpora simultàniament les anàlisis de cicle de vida econòmic i mediambiental al mateix temps que procura satisfer tècnicament tant la demanda de calefacció com els serveis domèstics d'aigua calenta. La metodologia s'aplica a una comunitat residencial de 1120 habitatges en diverses zones de la UE, amb Barcelona, Madrid, Atenes, Berlín i Hèlsinki com a exemples de diferents tipus climàtics europeus. L'avaluació ambiental mostra una millora significativa comparant la CSHPSS amb un sistema de calefacció de gas natural, arribant en alguns casos fins a un 87% de reduccions. D'altra banda, una àmplia millora econòmica és especialment limitada a la zona climàtica mediterrània (Atenes) a causa de les baixes demandes de calefacció i els preus dels recursos no renovables, el cost econòmic total de la CSHPSS pot superar fins a un 50.8% un sistema de calefacció de gas natural. No obstant això, tenint en compte l'actual tendència creixent en els preus del gas natural a tota la UE, l'estudi dels costos futurs de la planta confirma la seva viabilitat econòmica a llarg termini. En general, la nostra eina pot guiar els enginyers i arquitectes en la transició cap a un sector residencial més sostenible.

Alineándose con el ambicioso paquete de medidas de la UE para 2030 que pretende reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y reemplazar las fuentes de calor convencionales con fuentes renovables dentro de núcleos urbanos, las plantas centralizadas de calefacción solar con almacenamiento estacional (CSHPSS) se encuentran entre las tecnologías más prometedoras para ahorrar energía en los sectores industrial y residencial-comercial. Este trabajo presenta una evaluación exhaustiva de la posibilidad de integrar CSHPSS en el sector residencial de varios estados miembros de la UE a través de un enfoque sistemático de optimización de estos sistemas teniendo en cuenta los criterios económicos y ambientales. Este enfoque incorpora simultáneamente los análisis de ciclo de vida económico y medioambiental al mismo tiempo que procura satisfacer técnicamente tanto la demanda de calefacción como los servicios domésticos de agua caliente. La metodología se aplica a una comunidad residencial de 1120 viviendas en diversas zonas de la UE, con Barcelona, Madrid, Atenas, Berlín y Helsinki como ejemplos de diferentes tipos climáticos europeos. La evaluación ambiental muestra una mejora significativa comparando la CSHPSS con un sistema de calefacción de gas natural, llegando en algunos casos hasta un 87% de reducciones. Por otro lado, una amplia mejora económica es especialmente limitada en la zona climática mediterránea (Atenas) debido a las bajas demandas de calefacción y los precios de los recursos no renovables, el costo económico total de la CSHPSS puede superar hasta un 50.8% un sistema de calefacción de gas natural. Sin embargo, teniendo en cuenta la actual tendencia creciente en los precios del gas natural en toda la UE, el estudio de los costos futuros de la planta confirma su viabilidad económica a largo plazo. En general, nuestra herramienta puede guiar a los ingenieros y arquitectos en la transición hacia un sector residencial más sostenible.

Aligning with the ambitious EU 2030 climate and energy package for cutting the greenhouse emissions and replacing conventional heat sources through the presence of renewable energy share inside efficient district heating fields, central solar heating plants coupled with seasonal storage (CSHPSS) are among the most promising technologies to save energy in the industrial and residential-commercial building sectors. This work presents a comprehensive evaluation for the possibility of integrating CSHPSS in the residential sector in various EU member states through the introduction of a systematic approach to optimize these systems according to economic and environmental criteria. This approach comprises simultaneously the life cycle cost analysis for the economic evaluation and the life cycle assessment for the environmental impact estimation while technically satisfying both the space heating demand and the domestic hot water services. The methodology framework is applied to a residential neighborhood community of 1120 dwellings in various EU zones with Barcelona, Madrid, Athens, Berlin, and Helsinki acting as proxy for different European climate types. The environmental assessment shows a significant improvement when using the CSHPSS in comparison to a natural gas heating system, arriving in some cases up to 87% reductions. On the other hand, an extensive economic improvement is especially limited in the Mediterranean climate zone (Athens) due to low heating demands and the prices of the non-renewable resources, there the total economic cost of the CSHPSS can increase up to 50.8% compared to a natural gas heating system. However, considering the incremental tendency in natural gas prices all over EU nowadays, the study of future plant costs confirms its favorable long term economic feasibility. Overall, our tool can guide engineers and architects in the transition towards a more sustainable residential sector.