Title: Sector integration of district heating and electrical networks: Methods for simulation, control and design
Other Titles: Sektor Integration von Fernwärme und elektrischen Netzen: Methoden für Simulation, Regelung und Planung
Language: English
Authors: Leitner, Benedikt 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Hofmann, Rene 
Assisting Advisor: Gawlik, Wolfgang 
Issue Date: 2020
Citation: 
Leitner, B. (2020). Sector integration of district heating and electrical networks: Methods for simulation, control and design [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2021.50406
Number of Pages: 105
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Die zunehmende Integration erneuerbarer Energiequellen stellt Planung und Betrieb von Energienetzen vor erhebliche Herausforderungen. Intelligente Energiesysteme, die sektorenübergreifend geplant und betrieben werden, könnten eine wesentliche Rolle in zukünftigen nachhaltigen Energiesystemen spielen. Ein entscheidender Schritt am Weg zu solchen erneuerbaren Energiesystemen ist die enge Verknüpfung und der gemeinsame Betrieb von bisher größtenteils unabhängigen Wärmenetzen und elektrischen Netzen. Diese Kopplung von traditionell getrennten Energienetzen mit hohem Anteil erneuerbarer Erzeugung und intelligenter Regelung führt zu einer zunehmenden Komplexität des Gesamtsystems. Die Detailanalyse dieser Systeme erfordert daher fortgeschrittene Methoden der Modellierung und Simulation, um Betrieb und Auslegung zu bewerten. Speziell im Kontext lokaler Netzinfrastruktur sind solche simulationsbasierten Experimente von spezieller Bedeutung, da Feldversuche meist nicht möglich oder ausgesprochen teuer sind. In dieser Dissertation wird eine Modellierungs- und Simulationsumgebung entwickelt, die eine detaillierte technische Bewertung gekoppelter Strom- und Wärmenetze ermöglicht. Dazu werden thermohydraulische und elektrische Modelle kombiniert, um dynamische Phänomene in diesen gekoppelten Netzen zu berücksichtigen. Der Einsatz von Co-Simulation ermöglicht dabei die Verwendung und Kopplung existierender domänenspezifischer Simulationswerkzeuge und erleichtert auch eine mögliche Verknüpfung mit zusätzlichen Domänen. In mehreren verschiedenen innovativen Anwendungsbeispielen wird die Einsetzbarkeit der Simulationsumgebung demonstriert. Diese reichen von elektrischen Zusatzheizungen direkt bei den Verbrauchern, um die Vorlauftemperatur des Wärmenetzes zu erhöhen, bis hin zu zentraler Fernwärmeversorgung mit mehreren thermisch-elektrischen Einheiten, die auf die Verwendung von Überschussstrom abzielen. Die entwickelte Simulationsumgebung ist in der Lage den dynamischen Netzbetrieb inklusiver wichtiger technischer Aspekte, wie beispielsweise Temperatur- und Druckverteilung in Rohrleitungen sowie sich ändernde Spannungsniveaus in Stromnetzen, abzubilden. Anschließend wird die Simulationsumgebung erweitert, um fortgeschrittene Regelungsalgorithmen berücksichtigen zu können. Dies erlaubt die Bewertung und Analyse verschiedener Regelungskonzepte wie zum Beispiel regelbasierte oder modellprädiktive Regelung. Dadurch können deren Auswirkungen auf das physikalische System sowie der gegenseitige Einfluss der Netze, einzelner Teilsysteme und Steuerungen analysiert werden, bevor entwickelte Regelungssysteme in realen Anlagen eingesetzt werden. Der Nutzen der erweiterten Simulationsumgebung wird in verschiedenen Anwendungsfällen demonstriert, wie beispielsweise für mehrere elektrische Zusatzheizungen in Niedertemperatur-Fernwärmenetzen, die von modellprädiktiven Reglern gesteuert werden. In einem weiteren Schritt wird die Simulationsumgebung für eine kombinierte optimale Planung und Regelung gekoppelter Netze eingesetzt. Dazu werden simulationsbasierte Optimierungsverfahren herangezogen, die es ermöglichen den Einfluss moderner Regelungssysteme bereits im Design gekoppelter Netze zu berücksichtigen. Dieser Zugang beruht dabei auf heuristischen Optimierungsalgorithmen, wodurch detaillierte Simulationsergebnisse für Auslegung und Auswahl von Technologien in gekoppelten Strom- und Wärmenetzen genutzt werden können. Der entwickelte Designprozess wird für die Auslegung von elektrischen Heizern und thermischen Speichertanks in einem Wohngebiet sowie für die Dimensionierung von Wärmepumpen in einem Industriepark vorgeführt. Diese Doktorarbeit präsentiert Simulationsmethoden, die eine eingehende Bewertung von gekoppelten Strom- und Wärmenetzen bezüglich Design sowie Betrieb ermöglichen. Es werden mehrere unterschiedliche Fallbeispiele präsentiert und damit der vielseitige Einsatz und Nutzen der Methoden hervorgehoben. Die Methoden können in der Planung intelligenter sektorenübergreifender Quartiere sowie als Entscheidungshilfe für Stadtplaner oder Energieversorger genutzt werden.

Traditional design and operation of energy networks are challenged by the integration of large shares of renewable energy sources. Smart energy systems, where different energy sectors are jointly designed and operated, are expected to play an important role in the implementation of future sustainable energy systems. A crucial step on the way to such renewable energy systems is the transition of district heating and electrical distribution networks from independent to actively linked and operated networks. This coupling of traditionally separate energy carrier networks that exhibit high shares of renewable energy sources and smart control logic leads to increasingly complex systems. As a result, advanced modeling and simulation techniques are needed to analyze the operation and design of these systems in detail. Such simulation-based experiments are especially relevant in the context of local network infrastructure, where field tests are often impossible or prohibitively costly. In this thesis, a modeling and simulation framework for technical assessments of coupled district heating and electrical networks was developed. The framework combines thermal-hydraulic and electrical models to enable detailed assessments of dynamic phenomena in such coupled networks. Therefore, it uses the technique of co-simulation, which allows for reuse and coupling of existing domain-specific simulation tools and facilitates possible extensions to additional domains. The applicability of this simulation framework is demonstrated for various different and innovative test cases. They range from electric booster heaters to upgrade district heating supply temperatures at the customer sites to industry-scale district heating supply with multiple thermal-electric units aiming at reducing excess electric power generation. The developed simulation framework is able to account for highly relevant dynamic grid phenomena in both domains, e.g., temperature propagation and pressure distribution in pipes and changing voltage levels in power grids. The co-simulation framework is then extended to integrate advanced control algorithms. This allows to perform assessments for different kinds of control schemes, e.g., comparing simple rule-based and advanced model predictive control. It enables thorough assessments of the impact on the physical system and the mutual influence of networks, subsystems and control before field deployment. The use of this extended simulation framework is demonstrated for different case studies, e.g., for multiple electric booster heaters in a low-temperature district heating network each controlled by a model predictive controller. Finally, the developed simulation framework is used to enable a combined optimal design and control for coupled networks. This work, therefore, uses simulation-based optimization to account for the impact of advanced control schemes on the optimal design of these integrated multi-energy networks. This approach is based on the use of heuristic optimization methods to allow the use of detailed simulation results for sizing or selecting technologies in coupled heat and power networks. The developed design work flow is demonstrated for the sizing of electric heaters and thermal storage tanks in an residential area as well as for the dimensioning of heat pumps in an industrial park. In summary, this thesis introduces modeling and simulation methods to enable in-depth assessments of design and operation of coupled district heating and electrical distribution networks. It presents multiple different example applications that underline the versatility of these approaches and their applicability for real world problems. The methods can, for instance, be used in the planning phase of smart local multi-energy communities and assist the decision-support for stakeholders such as urban planners or energy suppliers.
Keywords: Sektorintegration; Fernwärme; Elektrische Netze; Simulation, Regelung
sector integration; district heating; electrical networks; simulation, control
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2021.50406
http://hdl.handle.net/20.500.12708/17185
DOI: 10.34726/hss.2021.50406
Library ID: AC16183956
Organisation: E302 - Institut für Energietechnik und Thermodynamik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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