Optimization of self-sufficient energy hubs

Abstract

In dieser Masterarbeit werden erneuerbare Energiequartiere im Wohnbereich analysiert. Drei fiktive Mehrfamilienhäuser werden mit verschiedenen Komponenten zur Energieumwandlung und -speicherung modelliert. Der Hauptfokus liegt auf der Optimierung der elektrischen Energieflüsse im Energiequrtier. Im ersten Szenario wird eine Photovoltaikanlage in einer Designoptimierung optimal dimensioniert, im zweiten Szenario wird ein Batteriespeichersystem hinzugefügt und im dritten Szenario wird das Energiesystem um ein Wasserstoffspeichersystem erweitert. Die Analyse untersucht die Auswirkungen der unterschiedlichen Konfigurationen auf zentrale Kennzahlen wie jährliche Gesamtkosten und den Autarkiegrad, wobei die beiden Zielfunktionen des Optimierungsproblems minimierte jährliche Kosten bzw. maximierter Autarkiegrad sind.In Szenario 1 führt die Integration zusätzlicher PV-Kapazität zu einer erheblichen Verringerung der jährlichen Kosten und zu einer Erhöhung des Autarkiegrades, was die Vorteile einer Optimierung der Erzeugungskapazitäten unter Berücksichtigung des Lastprofils unterstreicht. In Szenario 2 wird das Energiequartier um ein Batteriespeichersystem erweitert, was wiederum zu Kostensenkungen und höheren Autarkiewerten führt und die positiven Effekte von Energiespeichersystemen hervorhebt. Es wurde gezeigt, dass mit dem Speichersystem theoretisch ein Autarkiegrad von 100% erreicht werden kann, jedoch nicht auf wirtschaftlich sinnvolle Weise. In Szenario 3 erweist sich die Erweiterung um ein Wasserstoffspeichersystem aufgrund der hohen Kosten des Elektrolyseurs und der Brennstoffzellen sowie des geringeren Gesamtwirkungsgrads im Vergleich zur Batterie als unwirtschaftlich.Die Ausweitung auf größere Gemeinschaften mit kommunalen Gebäuden und Unternehmen, sowie anderer Energiesektoren, wie Wärme oder Mobilität, kann weitere Einblicke in das Sektorkopplungspotenzial und Möglichkeiten des Energiemanagements aufzeigen. Daraus können sich wertvolle Erkenntnisse über den optimalen Betrieb und die Zusammensetzung von verschiedenen Energiequartieren ergeben.

This master's thesis analyzes renewable energy hubs in the residential sector. Three fictitious multi-apartment buildings are modeled with different components for energy production and storage. The primary focus of the analysis lies in the electrical domain, optimizing the energy flows in the hub. In the first scenario the photovoltaic (PV) system is optimally sized in a design optimization, in the second scenario a battery storage system (BSS) is added and in the third scenario, the energy hub is extended with a hydrogen storage system (HSS). The study assesses the impact of these configurations on critical performance metrics, such as total annualized costs and self-sufficiency ratio (SSR) with the two objectives being minimized annualized costs and maximized SSR, respectively.In Scenario 1, the integration of additional PV capacity led to a substantial reduction in annualized costs and an increase in SSR, underscoring the economic feasibility of optimized renewable energy production. Scenario 2 introduced a BSS, resulting in further cost reductions and increased SSR values, highlighting the advantages of storage systems. It was shown, that theoretically full autarky could be reached with the storage, but not in an economically viable way. In Scenario 3, the HSS extension proved to be uneconomical due to the high cost of the electrolyzer and fuel cell stack as well as the lower roundtrip efficiency compared to the BSS.Expanding the scope to larger communities, including municipal buildings and companies, as well as other energy sources like heat, could yield insights into collective energy management and sector coupling potential. This research contributes to advancing optimization strategies for renewable energy hubs and provides valuable insights into the corresponding operation and composition.