Design and dimensioning methods for district energy systems with 5th generation district heating and cooling networks

Wirtz, Marco; Müller, Dirk; Bertsch, Valentin

doi:10.18154/RWTH-2024-00448

Design and dimensioning methods for district energy systems with 5th generation district heating and cooling networks = Auslegungsmethoden für Quartiersenergiesysteme mit Wärmenetzen der 5. Generation

Wirtz, Marco^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marco Wirtz

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Müller, Dirk (Thesis advisor)^RWTH* ; Bertsch, Valentin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-01-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-00448
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/976924/files/976924.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
5gdhc (frei) ; Auslegung (frei) ; Optimierung (frei) ; district heating (frei) ; kalte Nahwärme (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Wärmenetze der 5. Generation (im Deutschen auch kalte Nahwärmenetze oder Anergienetze genannt) sind eine vielversprechende Technologie zur Dekarbonisierung der Wärme- und Kälteversorgung in Gebäuden und Quartieren. Da Planungsansätze, welche für herkömmliche Wärmenetze verwendet werden, für Wärmenetze der 5. Generation nur eingeschränkt einsetzbar sind, werden in dieser Arbeit neue Methoden für die frühe Planungsphase entwickelt. Diese lassen sich in vier Beiträge gliedern: Zunächst wird eine Metrik zur Quantifizierung des quartiersweiten Ausgleichs von Wärme- und Kältebedarfen durch Wärmenetze der 5. Generation vorgestellt und dazu der sogenannte Bedarfsüberlappungskoeffizient (engl. Demand overlap coefficient, DOC) eingeführt. Der DOC hilft in der frühen Planungsphase von Quartieren, die Wirtschaftlichkeit und Effizienz eines Wärmenetzes der 5. Generation zu beurteilen und zu entscheiden, welche Gebäude durch das Wärmenetz versorgt werden sollen. Als Vorarbeit für die Entwicklung von Auslegungsmodellen für Wärmenetze der 5. Generation, wird in einer zweiten Untersuchung zunächst ein systematischer Vergleich von mathematischen Optimierungsmodellen durchgeführt. Dazu wird untersucht, welcher Detaillierungsgrad für (gemischt-ganzzahlige) lineare Auslegungsoptimierungsmodelle erforderlich ist. Für den Vergleich werden fünf weit verbreitete Modellierungsansätze betrachtet: Stückweise lineare Investitionskurven, Auflösung mehrerer Komponenten pro Technologie, minimale Teillastbegrenzungen, Teillastwirkungsgrade sowie Anfahrkosten. Im dritten Teil dieser Arbeit wird ein Mehrperiodenmodell für die Auslegung von Quartieren mit Wärmenetzen der 5. Generation vorgestellt. Es wird gezeigt, dass eine vorausschauende Mehrperiodenbetrachtung im Vergleich zu einem Einperioden-Modell zu Energiesystemen mit niedrigeren annualisierten Gesamtkosten führt. Die durch das Mehrperiodenmodell ermittelten optimalen Systemkonfigurationen weisen zudem einen höheren Anteil strombasierter Technologien (darunter erneuerbarer Energien) und einen niedrigeren Anteil von Erdgastechnologien auf. Im letzten Teil der Arbeit wird gezeigt, dass sich die entwickelten Optimierungsmodelle für Wärmenetze der 5. Generation mit Hilfe einer Dantzig-Wolfe-Dekomposition zerlegen lassen und so ihre Anwendbarkeit für große Quartiere mit vielen Gebäuden sichergestellt werden kann. In einer Sensitivitätsanalyse wird gezeigt, dass die Lösungszeit des dekomponierten Problems mit zunehmender Anzahl von Gebäuden und Typtagen in etwa linear ansteigt und daher im Vergleich zur kompakten Modellformulierung mit dem dekomponierten Modell deutlich kleinere Lösungszeiten bei großen Quartieren erreicht werden können.

5th generation district heating and cooling (5GDHC) networks are a promising technology to decarbonize the heating and cooling supply of buildings and districts. Since conventional planning methods for district heating systems are not applicable for 5GDHC networks, there is a lack of design guidelines and planning methods for this new type of thermal network. In this thesis, new design methods for the early planning phase of 5GDHC networks are presented which comprise four main contributions:Firstly, a new metric to quantify the demand balancing effect in 5GDHC networks is presented (demand overlap coefficient, DOC). The DOC helps in the early planning phase of districts to estimate the profitability and efficiency of a 5GDHC network and helps to decide which buildings of a district should be connected to a network.Secondly, as a basis for the development of 5GDHC optimization models, a systematic model comparison is conducted to investigate which level of detail is necessary for design optimization models which use (mixed-integer) linear programming. Here, five model features are investigated: Piece-wise linear investment curves, multiple component resolution, minimum part-load limitations, part-load efficiencies and start-up costs.Thirdly, a multi-period model for designing 5GDHC districts is presented. It is shown that a forward-looking multi-period model leads to optimal energy systems with lower total annualized costs, higher shares of electricity-driven technologies (including renewable energies) and less natural gas technologies compared to models with a single design year.Fourthly, a Dantzig-Wolfe decomposition is applied to a 5GDHC design optimization model in order to guarantee its applicability also for large districts. The equivalence of the full model formulation and the decomposed model is shown. A sensitivity analysis shows that the solution time of the decomposed problem increases approximately linearly with increasing number of buildings and design days and therefore outperforms the full model formulation for large districts.

OpenAccess:
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