TU Darmstadt / ULB / TUprints

Analysis and Improvement of an Existing University District Energy System

Oltmanns, Johannes Julius (2021):
Analysis and Improvement of an Existing University District Energy System. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017367,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Analysis and Improvement of an Existing University District Energy System
Language: English
Abstract:

Climate change is one of the greatest crises facing humanity in the 21st century. It is a complex challenge that affects all levels of society, from the personal to the international level. Only if all parts of the international community work together, it will be possible to limit global warming to 1.5 °C above pre-industrial levels, as agreed in the Paris Agreement on Climate Change in 2015. An important contribution to this must be made in cities and districts, which are becoming increasingly more important due to the worldwide progress of urbanization. Within the district, energy demand of buildings has a great influence on the CO2 emissions.

A centralized supply of thermal energy via district heating and cooling enables highly efficient generation via combined heat and power or combined heat, power and cooling as well as the integration of locally available waste heat sources from industrial plants or data centers. By means of cost-efficient thermal storage, generation and demand can be decoupled from each other, and operating times of combined heat and power plants can be extended. In addition, renewable sources such as solar thermal energy can be used more efficiently.

The basis of this work is a dynamic simulation model of the energy system of campus Lichtwiese of the Technical University of Darmstadt, which represents and connects the generation plants, the thermal networks and the buildings as consumers. Using time series of the current and future energy demand of the buildings for heat, cooling, and electric energy, the energy production of the entire system and the resulting CO2 emissions and costs can be calculated. By comparing different scenarios via annual simulations within the model, the example of campus Lichtwiese shows how existing energy systems can be prepared for a local energy transition at the district level. Research focuses on the optimization of the design and operation of existing energy systems with 3rd generation district heating networks, the reduction of temperatures to transfer the networks to 4th generation district heating, and the integration of data center waste heat. All proposed measures are compared energetically, ecologically and economically with the current state of the system.

The results show that the energy system of the TU Darmstadt is well designed and operated for the current demand, while at the same time there is great potential for reducing temperatures and energy demands by measures within the buildings. Furthermore, it can be shown that the integration of data center waste heat into district heating is already ecologically reasonable today, even without a prior reduction of network temperatures. By implementing the developed measures, the CO2 emissions of the district can be reduced.

More important, however, is that the measures presented are a prerequisite to decarbonize the TU Darmstadt campus Lichtwiese energy system in the medium term, especially regarding heating and cooling. The measures developed for campus Lichtwiese can be transferred to other districts. The decisive factor here is comprehensive energy monitoring, which enables the operator to gain a good understanding of his system, to identify faults with little effort and to take corresponding measures to improve their system.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Der Klimawandel gehört zu den größten Krisen der Menschheit im 21. Jahrhundert. Es handelt sich dabei um eine komplexe Herausforderung, die Auswirkungen auf alle Ebenen der Gesellschaft hat, von der persönlichen bis zur internationalen Ebene. Nur wenn alle Teile der Weltgemeinschaft an einem Strang ziehen, wird es möglich sein, die im Pariser Klimaschutzabkommen von 2015 vereinbarte Begrenzung der Klimaerwärmung auf 1.5 °C gegenüber vorindustrieller Zeit zu erreichen. Einen wichtigen Beitrag dazu müssen die lokalen Ebenen der Stadt bzw. des Quartiers liefern, die aufgrund der weltweit fortschreitenden Urbanisierung immer wichtiger werden. Innerhalb des Quartiers hat der Energiebedarf der Gebäude großen Einfluss auf die CO2-Emissionen.

Eine zentralisierte Versorgung mit thermischer Energie via Fernwärme und Fernkälte ermöglicht eine hocheffiziente Energiebereitstellung über Kraft-Wärme- bzw. Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung sowie die Einbindung lokal vorhandener Abwärmequellen aus Industriebetrieben oder Rechenzentren. Mittels kosteneffizienten thermischen Speichern können Erzeugung und Bedarf voneinander entkoppelt und Laufzeiten von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen verlängert werden. Außerdem können fluktierend zur Verfügung stehende regenerative Quellen wie solarthermische Energie effizienter genutzt werden.

Grundlage dieser Arbeit bildet ein dynamisches Simulationsmodell des Energiesystems des Campus Lichtwiese der Technischen Universität Darmstadt, das die Erzeugungsanlagen, die thermischen Netze sowie die Gebäude als Verbraucher darstellt und miteinander verbindet. Aufbauend auf Zeitreihen des aktuellen bzw. des zukünftigen Energiebedarfs an Wärme, Kälte und elektrischer Energie können damit sowohl die Netzverluste und die Energieerzeugung des Gesamtsystems, als auch die resultierenden CO2-Emissionen und Kosten berechnet werden. Durch einen Vergleich verschiedener Szenarien im Rahmen von Jahressimulationen wird anhand des Campus Lichtwiese aufgezeigt, wie bestehende Energiesysteme auf Quartiersebene auf eine lokale Energiewende vorbereitet werden können. Forschungsschwerpunkte bilden die Optimierung der Auslegung und des Betriebs bestehender Energiesysteme mit Fernwärmenetzen der 3. Generation, die Absenkung der Temperaturen zur Überführung der Netze in die 4. Generation der Fernwärme, sowie die Integration von Rechenzentrumsabwärme. Alle vorgeschlagenen Maßnahmen werden energetisch, ökologisch und wirtschaftlich mit dem Ist-Zustand des Systems verglichen.

Die Ergebnisse zeigen, dass das Energiesystem der TU Darmstadt für den aktuellen Bedarf gut ausgelegt ist und betrieben wird, dass aber gleichzeitig großes Potential zur Verringerung der Temperaturen und Energiebedarfe durch Maßnahmen innerhalb der Gebäude besteht. Außerdem kann gezeigt werden, dass eine Einbindung von Rechenzentrumsabwärme in eine Fernwärmeversorgung öologisch sinnvoll ist, sogar ohne dass vorher die Netztemperaturen abgesenkt werden. Durch eine Umsetzung der entwickelten Maßnahmen können die CO2-Emissionen des Quartiers reduziert werden. Wichtiger ist allerdings, dass die Maßnahmen die Voraussetzung schaffen, um die Energieversorgung am Campus, insbesondere in Bezug auf Wärme und Kälte, mittelfristig auf erneuerbare Quellen umzustellen. Die am Beispiel des Campus Lichtwiese entwickelten Maßnahmen lassen sich auch auf andere Quartiere übertragen. Entscheidend dafür ist ein umfangreiches Energiemonitoring, das dem Betreiber ein gutes Verständnis seines Systems ermöglicht und es erlaubt, Fehler mit geringem Aufwand zu identifizieren und die entsprechenden Maßnahmen einzuleiten.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xxiii, 145 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD) > Analysis of Thermal Energy Systems
Exzellenzinitiative > Graduate Schools > Graduate School of Energy Science and Engineering (ESE)
TU-Projects: PTJ|03ET1356A|EnEff Campus LW
PTJ|03ET1638|EnEff Campus LW2
Date Deposited: 27 Jan 2021 11:59
Last Modified: 27 Jan 2021 11:59
DOI: 10.26083/tuprints-00017367
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-173672
Referees: Stephan, Prof. Dr. Peter and Werner, Prof. Dr. Sven
Refereed: 15 December 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17367
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