Інтеграція відновлюваних джерел енергії в модульні системи теплопостачання: техніко-економічне обґрунтування та екологічні переваги

Abstract

UA: У статті розглянуто концепцію інтеграції відновлюваних джерел енергії (сонячних теплових колекторів і теплових насосів) у структуру модульних систем децентралізованого теплопостачання на основі газотурбінних когенераційних установок. Актуальність роботи зумовлена необхідністю декарбонізації застарілих централізованих систем із тепловими втратами 25–35 % і потребою в надійних модульних рішеннях в умовах воєнних викликів для критичної інфраструктури. Розроблено гібридну архітектуру «Тепловий насос + Когенерація + Сонячне поле» із чотирирежимним принципом управління та сезонним баком-акумулятором ємністю 2500 м³. Наведено математичну модель теплового балансу вузла, розрахунок реального COP теплового насоса та ефективності колекторного поля відповідно до стандарту EN ISO 9806. Для кліматичних умов Харкова виконано детальний розрахунок теплової продуктивності поля сонячних колекторів площею 500 м²: річний тепловий вихід складає 338 МВт·год. Визначено частку покриття навантаження від ВДЕ fВДЕ = 86,0 % і показник збереження палива fsave = 75,7 %. Порівняно і проаналізовано п'ять конфігурацій модульних систем за техніко-економічними та екологічними показниками. Виконано економічний аналіз на 25-річному горизонті з використанням методу нівельованої вартості тепла (LCOH): NPV = +6 818 тис. USD (без грантів), IRR = 14,6 %, дисконтований термін окупності — 12 років (шість років за грантового покриття 50 % CAPEX від EU4Energy або ЄБРР). Оцінено екологічний ефект: скорочення викидів CO₂ на 248,725 т/р. (−68,04 % порівняно з базовим газовим опаленням), що за ціни вуглецевої квоти ETS EU 65 EUR/т еквівалентно ~17,5 тис. USD/р. потенційного вуглецевого доходу. Показано відповідність системи вимогам Директиви ЄС RED III і Національного плану енергетики та клімату України.

EN: The article examines the concept of integrating renewable energy sources (solar thermal collectors and heat pumps) into the structure of decentralized modular district heating systems based on gas turbine cogeneration units. The relevance of the study is driven by the need to decarbonize ageing centralized heat supply systems characterized by thermal losses of 25–35 %, as well as the demand for reliable modular solutions in the context of wartime threats to critical infrastructure. A hybrid architecture combining Heat Pump + Cogeneration + Solar Field has been developed, featuring four-mode control logic depending on solar irradiance and heat load levels, alongside a seasonal buffer tank with a capacity of 2,500 m³. A mathematical model of the thermal node energy balance is presented, along with a calculation of the real-world heat pump COP under local climatic conditions and solar collector field efficiency in accordance with EN ISO 9806. For the climatic conditions of Kharkiv, a detailed calculation of the thermal output of a 500 m² solar collector array was carried out: the annual heat yield amounts to 338 MWh. The renewable energy coverage fraction fRES = 86.0 % and the fuel savings indicator fsave = 75.7 % were determined. A comparative analysis of five modular system configurations was conducted based on key technoeconomic and environmental performance indicators. A 25-year economic assessment was performed using the Levelized Cost of Heat (LCOH) methodology: NPV = +6,818 thousand USD (without grants), IRR = 14.6 %, discounted payback period of 12 years (6 years with 50 % CAPEX grant funding from EU4Energy or EBRD). Environmental impact was assessed: CO₂ emissions reduction of 248,725 tonnes/year (−68.04 % compared to baseline gas heating), which at an ETS EU carbon price of 65 EUR/tonne corresponds to approximately 17,500 USD/year in potential carbon revenue. Compliance of the system with the requirements of EU Directive RED III and Ukraine's National Energy and Climate Plan is demonstrated.