Exploiting the synergies from coupled electricity and heat distribution networks : modelling, simulation and optimization based on an extended energy hub approach

par Getnet Tadesse Ayele

Thèse de doctorat en Energétique, Thermique, Combustion

Sous la direction de Bruno Lacarrière et de Björn Laumert.

Soutenue le 04-12-2020

à l'Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire en cotutelle avec Kungliga tekniska högskolan (Stockholm) , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Nantes) , en partenariat avec Optimisation - Système - Energie (laboratoire) , Département Systèmes énergétiques et environnement (laboratoire) et de Laboratoire de Génie des procédés – environnement – agro-alimentaire (GEPEA) (Saint-Nazaire) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Exploitation des synergies des réseaux couplés de distribution d'électricité et de chaleur : modélisation, simulation et optimisation basées sur une approche étendue de hub énergétique


  • Résumé

    La littérature récente montre qu'il existe un potentiel important de décarbonation et d'amélioration de l'efficacité des réseaux d’énergie, qui peut être exploité grâce à la synergie offerte par les systèmes multi-énergies (MES). Les technologies de couplages, telles que les centrales de cogénération, les pompes à chaleur et les stockages thermiques, sont largement recommandées pour une flexibilité accrue et un meilleur taux de pénétration des énergies renouvelables dans les secteurs du chauffage et de l'électricité. Sur la base de ce constat, la taille et le nombre de technologies de couplage dans les réseaux de distribution de chaleur, telles que les centrales de production combinée de chaleur et d'électricité (cogénération) et les pompes à chaleur (PAC), augmentent. Ces technologies étant exclusivement gérées par les gestionnaires de réseaux de chauffage urbain, leur fonctionnement devient parfois sous-optimal du point de vue du réseau électrique et elles peuvent entraîner une surcharge des réseaux de distribution d'électricité basse tension (en particulier pour les grandes puissances installées). Des modèles de simulation et d'optimisation intégrés sont nécessaires pour exploiter efficacement les synergies sans compromettre les réseaux de distribution composants les MES. Ces modèles ne sont pas encore développés. Les outils classiques de simulation mono-vecteur d’énergie ne sont pas capables d’intégrer les paramètres de fonctionnement couplé clés des réseaux de distribution multi vecteurs. Une nouvelle méthodologie de simulation et d'optimisation de MES est développée dans cette thèse, basée sur une approche d'Extended Energy Hub (EEH). Une structure générale de modélisation est d'abord proposée sous forme modulaire, afin de pouvoir être facilement adaptée à tout type de réseaux énergétiques multi vecteurs. Celle-ci est ensuite utilisée pour développer les détails d'un modèle intégré de flux de charges régissant les réseaux couplés de chauffage et de distribution d'électricité. Plusieurs études de cas, traitant de topologies de réseaux radiales et maillées, sont considérées pour la démonstration et la validation numérique du modèle proposé. Ce modèle de flux de charges est en outre combiné avec un algorithme d'optimisation (PSO) afin de mener des études de flux de puissances intégrées optimaux. Le potentiel offert par cette démarche est illustré par l'étude du placement optimal des technologies de couplage, comme les pompes à chaleur (PAC), dans les réseaux couplés de chauffage et de distribution d'électricité. La capacité de l'outil développé est de plus illustrée par l'exploitation des synergies des réseaux couplés en présence d'énergies renouvelables intermittentes et d'un signal de prix de l'électricité variable. Il est démontré que les méthodologies de simulation et d'optimisation basées sur l'EEH, proposées dans cette thèse sont très efficaces, flexibles et facilement évolutives pour intégrer les paramètres de fonctionnement clés des réseaux intégrés d'électricité et de chauffage urbain. Les modèles développés peuvent ainsi être utilisés comme plate-forme d’études de l'intégration des réseaux intelligents et des réseaux thermiques intelligents.


  • Résumé

    Recent literature shows that there is a significant potential of decarbonisation and efficiency improvement that can be achieved through the synergy from multi-energy systems (MESs). Coupling technologies, such as co-generation plants, heat pumps and thermal storages are widely recommended as means of unlocking additional flexibility and increasing the penetration of renewables in the heating and electricity sectors. In view of that, the size and number of coupling technologies, such as combined heat and power plants and heat pumps (HPs), being installed in the heat distribution networks are increasing. As these technologies are exclusively managed by the district heating network operators, their operation sometimes becomes suboptimal from the electricity network point of view, and they (in particular large HPs) may cause overloading of the low voltage electricity distribution networks. Integrated simulation and optimisation models are required to exploit the synergies effectively without compromising the constituent distribution networks of MES. Such models are not yet well developed. The conventional single-energy-carrier simulation tools are not capable of capturing key operating parameters of the multi-carrier distribution networks either. A novel methodology for simulation and optimisation of MES is developed in this thesis based on an Extended Energy Hub (EEH) approach. The general framework is first developed in modular form so that it can be easily adapted for any type of multi-carrier energy networks. The framework is then used to develop the details of an integrated load flow model governing coupled heating and electricity distribution networks. Various load flow case studies with radial and meshed topologies are considered for demonstration and numerical validation of the proposed model. The load flow model is further combined with a particle swarm optimisation algorithm in order to conduct integrated optimal power flow studies. Its contribution to the state of art is demonstrated by studying the optimal placement of coupling technologies, such as HPs and boilers in coupled heating and electricity distribution networks. The capacity of the model is further illustrated by exploiting the synergies using HPs together with thermal storage in the presence of intermittent renewables and variable electricity price signal. It is shown that the EEH-based simulation and optimisation methodologies proposed in this thesis are very effective, flexible and easily scalable in capturing the key operating parameters of integrated electricity and district heating networks. The models can be used as a platform for further studies on integration of smart grids and smart thermal networks.


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