Modeling and optimization of urban energy systems for large-scale integration of variable renewable energy generation

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2017-02-24
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
77 + app. 100
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 16/2017
Abstract
The rapid growth of variable renewable energy (VRE), such as wind and solar energy, will increase the unpredictability and fluctuations in energy systems in general, resulting in a need for increased flexibility measures. Simultaneously, global urbanization will strengthen the importance of urban energy systems in the future. Therefore, it is highly important to find solutions to enable large-scale variable renewable energy generation in cities. This dissertation aims to find ways to increase flexibility and to enable higher shares of VRE in urban energy systems. For this purpose, three new computational models were developed in relation to both electricity and thermal energy (heating and cooling) in cities. The first model simulates the spatiotemporal energy consumption in cities, the second focuses on distributed production and cooperation between different energy networks, and the third describes the energy system operation with existing power plants and large-scale VRE schemes. Results from Helsinki, Finland, show that power-to-heat (P2H) conversion with electric resistance or heat pumps can help to increase the wind power production in the city by 4–5 times (up to 60% of electricity demand) compared to the self-use limit of wind power, in which the focus is on the electric system only. Part of the increased wind power production would then be used to cover up to one third of the heat demand. Simultaneously, P2H makes coal very sensitive to price changes, which could lead to the removal of coal from the city's energy portfolio. In another case, in Concepción, Chile, the solar capacity of the city is, in theory, large enough to satisfy all energy demand, but the technical efficiency and the power grid infrastructure limits the PV share in electricity to around 24%. With P2H, this could be increased to at least 34% without overloading the power grid; simultaneously a quarter of the heat demand would be filled. These results demonstrate the importance of system-wide consideration when planning integration of VRE. The thesis shows that, by viewing energy systems as a whole instead of focusing on only one energy form, the flexibility of the system can be remarkably increased, even without massive investments in traditional network infrastructure. Through smart design and multi-energy thinking approaches, variable renewable energy sources can be turned into a main-stream option for energy production in urban areas.

Vaihtelevan uusiutuvan energian (VRE), esimerkiksi tuuli- ja aurinkoenergian, nopea yleistyminen kasvattaa maailmanlaajuisesti epävarmuutta ja tuotannon heilahduksia energiajärjestelmissä. Tämän vuoksi tarvitaan uusia keinoja järjestelmien joustavuuden lisäämiseksi. Samalla kaupunkien kasvu ja globaali urbanisaatio nostavat kaupunkiympäristöjen merkitystä energiakysymyksissä. Onkin erittäin tärkeää keksiä ratkaisuja, joilla laajan mittakaavan VRE-tuotanto kaupungeissa mahdollistetaan. Tässä väitöskirjassa etistään kaupunkeihin sopivia keinoja, joilla energiajärjestelmien joustavuutta voidaan lisätä ja uusiutuvan energian osuutta kasvattaa. Tarkoitusta varten luotiin kolme uutta tietokonemallia, jotka ottavat huomioon sekä sähkön että termisen energian (lämmityksen ja jäähdytyksen). Ensimmäinen malli simuloi kaupunkien ajallista ja paikallista energiankulutusta, toinen keskittyy hajautettuun tuotantoon ja eri energiaverkkojen yhteiskäyttöön, ja kolmannella mallinnetaan energiajärjestelmän toimintaa, kun mukana on vanhoja voimalaitoksia ja paljon vaihtelevaa uusiutuvaa tuotantoa. Helsingistä saadut tulokset osoittavat, että sähkö–lämpö-konversio (P2H) joko sähkövastuksilla tai lämpöpumpuilla auttaa nostamaan tuulivoiman tuotannon määrää kaupungissa jopa nelin–viisinkertaiseksi (jopa 60 % sähköstä) verrattuna perinteiseen lähestymistapaan, jossa keskitytään yksinomaan sähköjärjestelmän toimintaan. Osa lisääntyneestä tuulituotannosta käytetään kattamaan jopa kolmannes kaupungin lämmöntarpeesta. Samalla P2H tekee hiilivoiman erittäin herkäksi hinnanvaihteluiden suhteen, mikä saattaa johtaa luonnostaan kokonaan hiilestä luopumiseen. Chilen Concepciónissa kaupungin aurinkoenergian potentiaali riittäisi kattamaan kaupungin koko energiantarpeen, mutta tekninen suorituskyky ja verkkoinfrastruktuuri rajoittavat aurinkosähkön osuuden noin 24 %:iin. P2H:n avulla osuus voidaan nostaa vähintään 34 %:iin ylikuormittamatta silti verkkoa. Samalla tuotettaisiin neljännes kaupungin lämmöntarpeesta. Tulokset osoittavat järjestelmätason tarkastelun tarpeellisuuden uusiutuvan energian suunnittelussa. Väitöskirja todistaa, että tarkastelemalla energiajärjestelmää kokonaisuutena (yksittäisen energiamuodon sijasta) sen joustavuutta voidaan lisätä ilman valtavia perinteisiä verkkoinvestointeja. Älykkäällä suunnittelulla ja monienergia-ajattelulla vaihtelevat uusiutuvat energiamuodot voidaan nostaa kaupunkiympäristöjen tärkeimmäksi energiamuodoksi.
Description
Supervising professor
Lund, Peter, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Lund, Peter, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
urban energy systems, energy system modeling, renewable energy, optimization, energy flexibility, kaupunkien energiajärjestelmät, energiajärjestelmien mallinnus, uusiutuva energia, optimointi, energiajoustavuus
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Lund, Peter; Lindgren, Juuso; Mikkola, Jani; Salpakari, Jyri. Review of energy system flexibility measures to enable high levels of variable renewable electricity. Renewable & Sustainable Energy Reviews 45, 785–807 (2015).
    DOI: 10.1016/j.rser.2015.01.057 View at publisher
  • [Publication 2]: Mikkola, Jani; Lund, Peter. Models for generating place and time dependent urban energy demand profiles. Applied Energy 130, 256–264 (2014).
    DOI: 10.1016/j.apenergy.2014.05.039 View at publisher
  • [Publication 3]: Niemi, Rami; Mikkola, Jani; Lund, Peter. 2012. Urban energy systems with smart multi-carrier energy networks and renewable energy generation. Renewable Energy 48, 524–536 (2012).
    DOI: 10.1016/j.renene.2012.05.017 View at publisher
  • [Publication 4]: Lund, Peter; Mikkola, Jani; Ypyä, Joel. Smart energy system design for large clean power schemes in urban areas. Journal of Cleaner Production 103, 437–445 (2015).
    DOI: 10.1016/j.jclepro.2014.06.005 View at publisher
  • [Publication 5]: Mikkola, Jani; Lund, Peter. Modeling flexibility and optimal use of existing power plants with large-scale variable renewable power schemes. Energy 112, 364–375 (2016).
    DOI: 10.1016/j.energy.2016.06.082 View at publisher
  • [Publication 6]: Wegertseder, Paulina; Lund, Peter; Mikkola, Jani; García Alvarado, Rodrigo. Combining solar resource mapping and energy system integration methods for realistic valuation of urban solar energy potential. Solar Energy 135, 325–336 (2016).
    DOI: 10.1016/j.solener.2016.05.061 View at publisher
Citation