Economic feasibility of thermal energy storage systems application to AlHaram Grand Holy Mosque air conditioning plant الجدوى الاقتصادية لنظم تخزين الطاقة الحرارية تطبيق على محطة تكييف المسجد الحرام

Abstract

In hot aired countries with sever weather cooling and air conditioning of buildings contributes significantly to the electricity peak demand which normally occurs during noontime period Shifting the electrical loads to offpeak periods is achieved by introducing time of rate tariff as incentive control on the demandside and or using active thermal energy storage technology This paper investigates the economic feasibility of both building an ice thermal energy storage and a timely based tariff structure for the unique air conditioning plant of the Grand Holy Mosque of Makkah Saudi Arabia (the largest religious building on earth) The features of the building are unique where the airconditioned 39300 m2 zone is open to the atmosphere and the worshippers fully occupy the building 5 times a day Hundreds of thousands of worshippers attend the blessed Friday prayer at noontime which escalates the peak electricity load For economic analysis the objective function is the daily electricity bill that includes the operation cost and the capital investment of the ice storage system The operation cost is a function of the energy imported for operating the plant in which the tariff structure number of operating hours and the ambient temperature are parameters The capital recovery factor is calculated for 10 % interest rate and payback period of 10 years Full and partial load storage scenarios are considered The results showed that with the current fixed electricity rate (007 $ kWh) there is no gain in introducing ice storage systems neither for full nor for partial storage schemes Combining energy storage and an incentive time structured rate showed reasonable daily bill savings For base tariff of 007 $ kWh during daytime operation and 0016 $ kWh for offpeak period savings of 5494 $ d was achieved for full load storage scenario the storage capital cost will be paid in 10 years and afterwards the daily saving in operational cost will be 401176 $ d Different tariff structure is discussed and the breakeven nighttime rate was determined (varies between 0008 and 003 $ kWh) Partial load storage scenario showed to be unattractive where the savings for the base structured tariff was insignificant

تستهلك الدول ذات المناخ الحار كمية كبيرة جدا من الطاقة الكهربائية في أعمال التبريد والتكييف خصوصا في فترة ذروة الاستهلاك اليومي للكهرباء والتي تقع عادة في فترة الظهيرة و يمكن تحويل الأحمال الكهربائية إلى فترات الاستهلاك المنخفض عن طريق إصدار شرائح زمنية للتعرفة الكهربائية كوسيلة محفزة للتحكم في الاستهلاك أو باستخدام تقنية تخزين الطاقة تناقش هذه الورقة الجدوى الاقتصادية لكل من بناء نظام خزن حراري و استحداث تعرفة زمنية لاستهلاك الكهرباء لمحطة تكييف الهواء التابعة لبيت الله الحرام في مكة المكرمة (أضخم معبد ديني في العالم) إن خصائص مبنى الحرم فريدة في نوعها حيث أن المساحة المكيفة من الحرم والتي تقدر بحوالي 39300 م2 هي مساحة مفتوحة للجو الخارجي كما أن المصلين يملؤون المكان خمس مرات في اليوم وفي يوم الجمعة يحضر مئات الآلاف من المصلين صلاة الجمعة في فترة الظهيرة مما يؤدي إلى زيادة الطلب على الحمل الكهربائي من أجل التحليل الاقتصادي، فإن فاتورة الاستهلاك اليومي قد استخدمت كدالة أساسية وتتضمن مصاريف التشغيل ورأس المال المستثمر في بناء نظام تخزين ثلجي تشمل مصاريف التشغيل اليومي الطاقة المستهلكة لتشغيل المحطة والتي يدخل فيها نظام التعرفة وعدد ساعات التشغيل ودرجة حرارة الجو كعوامل مؤثرة تم حساب معامل استرداد رأس المال لنسبة عمولة مقدارها 10 % ولفترة استرداد مدتها 10 سنوات كما تم تطبيق الدراسة على نظام تخزين كامل أو جزئي أوضحت نتائج الدراسة أنه ليس هناك فائدة اقتصادية من بناء نظام خزن ثلجي سواء لنموذج التخزين الكامل أو الجزئي في ضوء وجود شريحة ثابتة للاستهلاك الكهربائي (007 $ كيلووات ساعة) في حالة الجمع بين تخزين الطاقة وإنشاء نظام زمني محفز للتعرفة الكهربائية فإنه يمكن الحصول على توفير معقول في الفاتورة اليومية فعلى سبيل المثال فإنه لتعرفة استهلاك الذروة مقدارها 007 $ كيلوات ساعة في وقت التشغيل نهارا و 0016 $ كيلووات ساعة في غير أوقات الذروة فإن توفيرا مقداره 5494 $ يوم يمكن الحصول عليه لنظام التخزين الكامل كما أنه يمكن استرداد رأس المال المدفوع في إنشاء نظام التخزين الكامل في فترة 10 سنوات وبعد ذلك يصبح الوفر اليومي في تكلفة التشغيل هو 401176 $ يوم تم مناقشة تعريفات مختلفة لاستهلاك الكهربائي كما تم حساب تعرفة الاستهلاك الليلي المتعادلة (تتراوح بين 0008 و003 $ كيلووات ساعة) بالنسبة لنظام التخزين الجزئي فإن الدراسة أوضحت بأنه غير مجدي لهذه الحالة حيث أن قيمة الوفر من هذا النظام غير ذي أهمية