Residential city districts as flexibility resource : analysis, simulation, and decentralized coordination algorithms

Molitor, Christoph; Monti, Antonello; Moser, Albert

doi:34472

Residential city districts as flexibility resource : analysis, simulation, and decentralized coordination algorithms = Wohnquartiere als Flexibilitätsressource : Analyse, Simulation und dezentrale Koordinationsalgorithmen

Molitor, Christoph

2015 & 2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christoph Josef Molitor

Ausgabe1. Aufl.

ImpressumAachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University 2015

ISBN978-3-942789-31-8

ReiheE.On Energy Research Center : ACS, automation of complex power systems ; 32

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Monti, Antonello (Thesis advisor)^RWTH* ; Moser, Albert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-07-16

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-055144
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/539042/files/539042.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/539042/files/539042.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektrotechnik, Elektronik (frei) ; decentralized coordination (frei) ; city district energy system (frei) ; smart grid (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist die Untersuchung und Nutzung des Lastverschiebungspotentials in Wohngebieten durch Koordination von flexiblen elektrischen Lasten und Erzeugern. Insbesondere geht es um den flexiblen Betrieb von so genannten elektro-thermischen Heizanlagen, wie Wärmepumpen (WP) und Blockheizkraftwerken (BHKW), in Kombination mit thermischem Speicher. Aufgrund des hohen Primärenergieverbrauches, der zum Heizen von Wohngebäuden aufgewendet wird, bietet die Elektrifizierung von Heizanlagen großes Potential. Zuerst wird im Rahmen dieser Dissertation das Lastverschiebungspotential von Gebäudeclustern mit unterschiedlichem Anteil von elektro-thermischen Heizanlagen untersucht. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass heterogene Cluster, die gleichmäßig BHKWs und WP umfassen, das höchste Lastregelungspotential haben. Darüber hinaus ergab die durchgeführte Untersuchung, dass bereits Cluster, die weniger als 50 Gebäudeenergiesysteme umfassen, effizient für Lastregelung eingesetzt werde können und eine signifikante Lastregelung ermöglichen. Damit können Cluster eingesetzt werden, um lokale Netzdienstleistungen anzubieten, zum Beispiel zum Ausgleichen von Netzschwankungen. Des Weiteren stellt diese Dissertation einen Ansatz zur dezentralen Koordination von elektro-thermischen Heizanlagen vor, der bezüglich Datensicherheit, Systemintegration und Leistungsanforderungen an zentrale Rechenkapazitäten Vorteile gegenüber existierenden Ansätzen hat. In dem hier vorgestellten Ansatz ist jedes Hausenergiesystem durch einen Agenten repräsentiert, welcher zuerst ein lokales Optimierungsproblem löst, welches einen Satz an lokal optimalen oder nahezu optimalen Betriebsplänen liefert. In einem zweiten Schritt wählt jeder Agent den Betriebsplan aus, der die Systemzielfunktion am besten unterstützt. Die Auswahl des Betriebsplans wird durch Nachrichtenaustausch mit den anderen Agenten koordiniert. Die simulationsbasierte Analyse zeigt, dass die Algorithmen eine schnelle Konvergenz und eine gute Skalierbarkeit aufweisen. Als dritten Beitrag stellt diese Dissertation eine Ko-simulationsplattform vor, die es ermöglicht Energiesysteme von ganzen Stadtgebieten ganzheitlich zu untersuchen. Die Simulationsplattform, bezeichnet als MESCOS, ermöglicht die Simulation von Energiesystemen in Stadtgebieten unter Einbeziehung von Energieversorgungssystemen, dynamischen Gebäudemodellen sowie Regelungs- und Energiemanagementsystemen. Um die Simulation von ganzen Stadtgebieten, bestehend aus hunderten von Gebäuden, zu ermöglichen, setzt das Konzept der Simulationsplattform auf Parallelisierung und ermöglicht das effiziente Ausnutzen von modernen Simulationsrechnern.

This dissertation centers on residential city districts as source of flexible electrical energy demand and generation. More specifically, the focus is on the exploitation of operational flexibility provided by so-called electro-thermal heating systems like heat pumps (HPs) and combined heat and power (CHP) systems in combination with inexpensive thermal storage. Due to the high share of primary energy related to space heating in residential buildings, the electrification of the heating system is considered as a significant source of flexibility. First, this dissertation investigates the load shaping capability of clusters of Building Energy Systems (BESs) with different shares of electro-thermal HSs under a coordinated operation. The presented results show that heterogeneous clusters, comprising equally BESs with CHP and HP systems, provide the most load-shaping capability. Furthermore, the analyses revealed that clusters comprising less than 50 BESs are already sufficient in order to significantly provide load shaping. Thus, the clusters of BESs are capable to address local grid conditions like imbalances, related to the associated city district.Second, this thesis proposes a decentralized coordination approach, which has several advantages over existing approaches regarding data privacy, plug and play functionality and reduced demand for central computing units. In this approach, each BES, represented by a software agent, solves in a first step a local optimization problem, yielding a set of optimal or near-optimal operating schedules. In a second step, each agent determines by message exchange with other agents the actual schedule supporting the system objective the most. The simulation-based analysis shows that the algorithms exhibit a fast convergence and a good scalability. Third, a co-simulation platform is presented enabling the analysis of holistic simulations of city district energy systems. The simulation platform, referred to as MESCOS, allows simulating city district energy systems, comprising dynamic buildings models, energy supply infrastructure and control and energy management algorithms. In order to enable the simulation of large city district energy systems comprising hundreds of BESs, the platform exploits parallel computing features of modern simulation servers while at the same time reusing existing modeling and simulation tools. Finally, the simulation of a sample city district demonstrates the insights which can be gained by means of the introduced simulation platform.

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