Mansoor, M. (2022). Planning and operation strategies of microgrids in decarbonized multi-energy systems [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2022.71340
Im Bereich der erneuerbaren Energien sind Maßnahmen notwendig, um den Übergang zu sauberer Energie zu ermöglichen und den Energiesektor zu dekarbonisieren. Microgrids bieten das technisch-ökonomische Potenzial zur Dekarbonisierung beizutragen, wenn sie optimal geplant und umgesetzt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die optimalen Planungs- und Betriebsstrategien von Microgrids in dezentralen, sektorgekoppelten Energiesystemen zu bewerten, zu untersuchen und zu behandeln. Drei verschiedene Arten von Optimierungsmodellen auf Basis gemischt-ganzzahliger linearer Programmierung werden entwickelt und auf verschiedene Fallstudien in Österreich angewandt, wobei die Zielfunktionen die Minimierung der Gesamtenergiekosten und der gesamten Kohlendioxidemissionen sind. Der Hauptfokus dieser Arbeit liegt auf thermischen Energiesystemen, Wasserstoff und Mobilität, sowie auf erneuerbaren Energiegemeinschaften, die verschiedene verteilte Energieressourcen beinhalten. Es werden verschiedene Optimierungsszenarien entworfen und in Bezug auf Referenzfälle, die den aktuellen Status Quo abbilden, einzelner Energiesystemmodelle analysiert. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung von Microgrids für das Erzielen wirtschaftlicher und ökologischer Einsparungen im Vergleich zu den Referenzfällen. Außerdem wird die Rolle der saisonalen Speicherung für den Wärmesektor untersucht, wobei signifikante Einsparungen bei den Zielfunktionen im Vergleich zum nicht saisonalen Verhalten erzielt werden. Die Bedeutung der Wasserstofferzeugung, -speicherung und -nutzung auf Basis erneuerbarer Energien im Mobilitätssektor wird detailliert analysiert und mit der konventionellen, kraftstoffbasierten Mobilität verglichen. Weiters wird ein Konzept zur gemeinsamen Nutzung von erneuerbarer Energie mittels unterschiedlicher Tarifmodelle unter verschiedenen Teilnehmern einer Energiegemeinschaft entworfen und analysiert, um den Nutzen der kumulativen Einsparungen innerhalb einer Energiegemeinschaft im Vergleich zum Status Quo zu zeigen. Darüber hinaus werden die regulatorischen und politischen Rahmenbedingungen für jedes einzelne Modell identifiziert und weitere Vorschläge für die künftige Regulierung und Politikgestaltung gemacht, insbesondere im Hinblick auf die Senkung der Technologiekosten, die Einführung von Kohlenstoffpreisen zur Überbrückung der Kostenlücke zwischen Wasserstoff und Diesel und anreizbasierte Tarifsysteme, um die gemeinsame Nutzung von Energie in erneuerbaren Energiegemeinschaften zu verstärken bzw. weiter auszubauen.
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Renewable energy measures are needed to enable the clean energy transition and decarbonize the energy sector. Microgrids provide the techno-economic potential to contribute to the decarbonization when designed and implemented optimally. The aim of this thesis is to assess, investigate, and address the optimal planning and operation strategies of microgrids in decarbonized multi-energy systems. Three different kinds of mixed-integer linear programming based optimization models are developed and applied to different case studies in Austria with objective functions of minimizing the total energy costs and total carbon dioxide emissions. The main focus of this thesis are thermal energy systems, hydrogen energy systems and mobility, and electricity based renewable energy communities that involve different distributed energy resources. Different optimization scenarios are designed and analyzed with respect to reference cases of individual energy system models that portray the current status quo. The results emphasize the importance of microgrids in achieving economic as well as ecological savings as compared to the reference cases. The role of seasonal storage for thermal sector is investigated and significant savings in objective functions are achieved as compared to non-seasonal behavior. The importance of renewable energy based hydrogen generation, storage and use in the mobility sector has been analyzed in detail and compared with the conventional fuel based mobility. The mechanism of energy sharing with multiple tariff schemes among different participants of the community is designed and analyzed to show the benefit of cumulative savings as compared to non-sharing mechanism. Additionally, the regulation and policy framework for each individual model are identified and further suggestions are provided for the future regulation and policymaking, especially with respect to reducing technology costs, introducing carbon prices for bridging the hydrogen-diesel cost gap and incentive based tariff schemes to enable energy sharing in renewable energy communities.