Modelling and optimization of combined heat and power systems

Loading...
Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2019-10-18

Date

2019

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

61 + app. 63

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 179/2019

Abstract

Combined heat and power (CHP) production is a prominent technique for producing heat and electric power in an integrated process. While the produced heat is used locally, for district heating or for industrial processes, the electricity can be transmitted over long distances by the grid. The advantage of CHP is much higher energy efficiency than separate heat and power production. Therefore, CHP offers also significant potential for reducing emissions. At the same time, the global trend of increasing intermittent renewable energy forms is leading to imbalance between power supply and demand. While CHP production is difficult to adjust for non-coincident heat and power demand, the flexibility of a CHP system can be improved by including also separate power and heat production plants. Energy storages and power transmission between multiple areas can also improve the system flexibility and provide economic benefits. Cost efficient operation of such CHP systems can be determined by optimization models. This study presents optimization models for different CHP planning problems, with different time horizons (short to long-term), single area and multiple areas, and with heat storages, power storages, or both. Depending on which components are included to the model, dedicated decomposition-based techniques have been developed for solving each model efficiently. An integrated model is decomposed into sub-models including both local and multi-area models. The first model is a multi-period local CHP model with heat storage. This model is solved by a generic linear programming (LP) algorithm, but a special extreme point formulation is applied in the modelling. The second model is an hourly multi-area model. A two-phase de-composition method including local and network models is proposed to optimize hourly multi-area energy production with power transmission. The third model extends the decomposition model with power storages for long-term problems. Last, an iterative process based on decomposition method is developed to include also heat storages. To produce realistic test data, a method was developed to generate heat demand with proper spatial and temporal variation also for areas where hourly historical data is unavailable. The models have been validated by comparison with existing solution techniques for different problem sizes and time horizons. The results indicate that developed methods have high accuracy and fast solution time for long-term problems that is useful in solving hourly large-scale energy systems including thousands of variables. The speed advantage of the decomposition method improves with model size.The methods can be used for long-term planning of CHP system operation to support investment decisions, and for simulating system extension.

Yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto (CHP) on tekniikka jossa sähköä ja lämpöä tuotetaan integroidussa prosessissa. CHP-tuotannon etuna on huomattavasti parempi energiatehokkuus verrattuna sähkön ja lämmön erillistuotantoon. Siksi CHP on potentiaalinen tekniikka myös päästöjen vähentämiseksi. Tuuli- ja aurinkosähkön voimakas lisääntyminen hankaloittaa tuotannon ja kysynnän ajallista kohtaamista. Tämä vaikeuttaa erityisesti CHP-tuotannon suunnittelua silloin kun sähkön ja lämmön kysyntävaihtelu ei ajallisesti kohtaa. CHP-järjestelmän joustavuutta voidaan parantaa energiavarastojen ja sähkön siirtoverkon avulla, ja samalla saavuttaa taloudellisia säästöjä. Tällaisen monimuotoisten energiajärjestelmien toimintaa voidaan suunnitella optimointimallien avulla. Tässä tutkimuksessa on kehitetty optimointimalleja CHP-tuotannon suunnitteluongelmiin, jotka ovat erilaisia aikahorisontin pituuden (lyhyt-pitkä aikaväli), alueiden lukumäärän (yksi tai useampi), ja varastojen suhteen (lämpö- tai sähkövarastot vai molempia). Ongelmiin on kehitetty tehokkaita dekompositioon perustuvia ratkaisualgoritmeja. Dekompositiossa järjestelmän kokonaismalli pilkotaan eri tavoin osamalleiksi, jotka ratkaisemalla saadaan kokonaismallin ratkaisu. Yksinkertaisin malleista on yhden alueen CHP-tuotantomalli, johon sisältyy lämpövarasto. Malli voidaan ratkaista yleisenä lineaarisen ohjemoinnin (LP) mallina, mutta mallinnuksessa on sovellettu erityistä ekstreemipisteformulaatiota. Seuraava malli on tunnittainen usean alueen malli, johon sisältyy sähkön siirtoverkko. Mallin ratkaisemiseen on kehitetty kaksivaiheinen dekompositiotekniikka, jossa sovelletaan parametrista LP-analyysia aluekohtaisesti ja muodostetaan analyysin tulosten perusteella usean alueen sähkön tuotannon ja siirron verkkotehtävä. Kolmannessa mallissa tunnittainen malli on laajennettu pitkän aikavälin malliksi ottamalla verkkotehtävään mukaan aluekohtaiset sähkövarastot. Lopuksi mallia on laajennettu kattamaan aluekohtaiset lämpövarastot. Sähkö- ja lämpövarastojen optimomiseksi yhdessä sähkön siirtojen laajennettiin dekompositiotekniikkaa kolmannella dekompositiomallilla ja mallien välisellä iteratiivisella prosessilla. Realistisen testidatan tuottamiseksi kehitettiin tekniikka, jossa kulutusennustemalleja hyödyntämällä voidaan tuottaa ajallisesti ja alueellisesti oikealla tavalla vaihtelevaa kaukolämmön kulutusdataa niillekin paikkakunnille, joilta ei ole todellista tuntipohjaista mittaustietoa saatavilla. Kehitetyt mallit on validoitu vertailemalla tuloksia aikaisempiin malleihin ja ratkaisutekniikoihin eri kokoisilla CHP-järjestelmillä ja vaihtelevan pituisilla aikahorisonteilla. Kehitetyt menetelmät ovat tarkkoja ja nopeita suurillakin tehtävillä. Menetelmiä voidaan soveltaa sekä CHP-järjestelmien pitkän aikavälin käytön suunnittelussa, että simuloimaan järjestelmän laajennuksia investointipäätösten tueksi.

Description

Supervising professor

Lahdelma, Risto, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland

Thesis advisor

Lahdelma, Risto, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland

Keywords

combined heat and power, optimization, linear programming, power transmission, energy storage, yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto, optimointi, lineaarinen ohjelmointi, sähkön siirto, energiavarastot

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Abdollahi, Elnaz; Wang, Haichao; Rinne, Samuli; Lahdelma, Risto. Optimization of energy production of a CHP plant with heat storage. IEEE Green Energy and Systems Conference (IGESC), California, USA, 2015, November 24, pages 30-34.
    DOI: 10.1109/IGESC.2014.7018636 View at publisher
  • [Publication 2]: Abdollahi, Elnaz; Wang, Haichao; Lahdelma, Risto. An optimization method for multi-area combined heat and power production with power transmission network. Applied Energy, 2016, volume 168, pages 248–256.
    DOI: 10.1016/j.apenergy.2016.01.067 View at publisher
  • [Publication 3]: Abdollahi, Elnaz; Wang, Haichao; Lahdelma, Risto. Parametric optimization of long-term multi-area heat and power production with power storage. Applied Energy, 2019, volume 235, pages 802-812.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201906203878
    DOI: 10.1016/j.apenergy.2018.11.015 View at publisher
  • [Publication 4]: Abdollahi, Elnaz; Lahdelma, Risto. Decomposition method for optimizing long-term multi-area energy production with heat and power storages, 2019, submitted to Applied Energy.

Citation