A co-simulation based framework for the analysis of integrated urban energy systems

Abstract

Då energisektorn ansvarar för huvuddelen av växthusutsläppen finns det behov att omgående vidtaåtgärder för att motverka klimatförändringar. Integrationen av förnybara energiresurser är en lösning, dockkommer den med en del utmaningar. Förnybar energi är ofta variabel, oförutsägbar och distribuerad. Dessaegenskaper medför en ökad komplexitet när det gäller utformning och styrning av energisystemsystemet.Ökad sektorkoppling mellan olika energislag är ett lovande tillvägagångssätt för att öka flexibiliteten i dessasystem. Till exempel kan driftinskränkningar för vindkraft minskas genom att använda kraftöverskottet föratt driva värmepumpar. När vinden inte blåser kan värmen som lagras i byggnaders termiska massa ochåtervinning av spillvärme användas istället. Dessa lösningar finns mestadels på stads- och distriktsnivå. Ettlämpligt modelleringsramverk för att utforma dessa integrerade stadsenergisystem saknas dock.Det föreliggande arbete föreslår ett sådant ramverk som en uppsättning av metodologiska steg ochintegrerade modelleringsverktyg. Tyngdpunkten ligger på modellering och simulering. Med tanke på deintegrerade energisystemens heterogenitet utvecklas dedikerade teknologispecifika modeller för att uppnåönskad detaljnivå. En samsimuleringsmetod implementeras när tidsstegskoordinering och datautbyte ärnödvändiga mellan olika modeller. Scenarier utvecklas för att jämföra den tekno-ekonomiska ochmiljömässiga prestandan hos alternativa lösningar baserat på sektorkoppling. Nivellerade energikostnaderoch koldioxidutsläpp används som huvudindikatorer för detta ändamål. För att visa tillämpbarheten avdenna metod väljs distriktet Hammarby Sjöstad (Stockholm, Sverige) som en fallstudie. Detta gör det ocksåmöjligt att ta itu med en real öppen fråga, nämligen huruvida fjärrvärme eller värmepumpar är den bästalösningen för hushåll för flerbostadshus.Det föreslagna ramverket tillämpades framgångsrikt på fallstudien. Fallspecifika resultat gjorde detmöjligt att formulera mer generella slutsatser som är tillämpbara på liknande flerbostadsområden i ettsvenskt sammanhang. Det visas att samsimulering är ett användbart tillvägagångssätt för att fånga uppflaskhalsar och nya möjligheter i sektorkopplingen. Exempel är överbelastningar av elnät orsakade avinstallationer av värmepumpar och kontroll av termisk massa i byggnader för att ersätta användningen avtoppvärmepannor. Dock bör samsimulering begränsas till fall där regleråterkoppling måste tas i beaktande,såsom i de föregående exemplen. Detta beror på att samsimulering innebär en signifikant högreimplementeringskomplexitet och en längre beräkningstid. Således bör exempelvis modellerna för ettvärmenät och av ett elnät utan kopplingsteknik- såsom värmepumpar och elektriska pannor- företrädesvisanalyseras sekventiellt. När det gäller nyckelprestationsindikatorer visade sig den i detta arbete infördanivellerade värmekostnaden vara en viktig ny parameter när man jämför energiinfrastrukturer utöver despecifika affärsaspekterna. Exempelvis visade byte av fjärrvärmetaxa till nivellerade värmekostnad tydligtden ekonomiska fördelen med värmenät jämfört med lokala värmepumpar. CO2-utsläppsfaktorer för olikaenergiresurser (avfall, biomassa, elmix) visade sig vara mycket viktiga av två huvudskäl. För det första leddeolika antaganden för dessa faktorer till motsatta slutsatser angående koldioxidavtrycket för specifik teknik.Till exempel kan värmepumpar uppskattas vara både mer och mindre förorenande än fjärrvärme beroendepå de antagna utsläppsfaktorerna. För det andra befanns reglerstrategier baserade påkoldioxidutsläppsfaktorerna i elmixen (kraft-till-värme) vara en lovande sektorkopplingslösning. Genomatt analysera integrerade energisystem var det möjligt att fånga upp flaskhalsar i infrastrukturen och föreslånya alternativ. I synnerhet visades att installationen av ett stort antal distribuerade värmepumpar kanöverbelasta elnätet i ett distrikt. Styrning av efterfrågesidan, genom tex användning av den termiskamassan i byggnader och elfordons lagringskapacitet, kan hjälpa till att minska detta problem. På andrasidan visade sig fjärrvärme vara ett ännu mer lovande alternativ genom att integrera både styrning avefterfrågan och värmeåtervinning. Värmepumpar visade sig i detta fall vara en lämplig partnerteknik föratt stödja värmeåtervinning och möjliggöra kraft-till-värme-kopplingen.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-290895