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Object-oriented modelling of solar district heating grids with underground thermal energy storage

Formhals, Julian (2022):
Object-oriented modelling of solar district heating grids with underground thermal energy storage. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00021506,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Object-oriented modelling of solar district heating grids with underground thermal energy storage
Language: English
Abstract:

The transformation of the heating sector towards renewable energy sources is a key element for the mitigation of man-made climate change. In this regard, solar thermal energy is a particularly well-suited solution, as it is a simple, cost-efficient and proven technology. A main barrier for a more widespread use, is the seasonal mismatch of heat demands and solar yields, which usually limits the solar share on the overall heat supply of district energy systems to about 20%. It is therefore necessary to store the abundant solar energy supply during summer for several months to be able to use it in winter. Underground thermal energy storage (UTES) is currently the most promising technology for such applications, as it shows a high maturity level in comparison to other technologies and facilitates storage of thermal energy on a district scale. Integration of UTES into solar district heating (SDH) systems is commonly accompanied by further technologies, such as geothermal energy, industrial waste heat or power-to-heat applications, resulting in complex energy systems. These SDH-UTES systems require a thorough design of component dimensions, system layouts and control strategies to ensure security of supply, while avoiding costly overdimensioning of generation capacities. Therefore, dynamic system simulations are used for system design, as they consider the temporal distribution of heat supplies and demands as well as the strong interactions between components. The modelling language Modelica constitutes a powerful conceptual approach for modelling and simulation of thermal energy systems and is therefore applied increasingly. However, to exploit Modelica’s numerous advantages for the simulation of SDH-UTES systems and reach a large number of users, adequate model libraries are required. These should be accurate in their representation of physical components, easy to use and have a low numerical effort. The presented cumulative dissertation and the corresponding publications in scientific journals demonstrate the development of such a model library called MoSDH (Modelica Solar Dis-trict Heating). The library consists of components for the accurate, efficient, user friendly and robust simulation of such systems, including models for UTES technologies which were previously not implemented for Modelica. Selected models and aspects were already presented and demonstrated in case studies in the above-mentioned journal papers. The presented thesis contains a comprehensive description of the model components as well as the general system modelling concept. Furthermore, several case studies are used to highlight certain key functionalities and demonstrate the accurate representation of the physical systems in a numerically efficient way. The models can be used for extensive optimization studies as well as detailed investigations of certain specific aspects. In addition to that, the object-oriented modelling approach facilitates the easy adaption and reuse of model components. Finally, MoSDH is used to investigate the transition of a sub-grid of the TU Darmstadt university district heating (DH) system into a SDH-UTES system, demonstrating the possibility of those systems to satisfy the universities emission saving goals in a cost-efficient way.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Umstellung der Wärmeversorgung zu Heizzwecken auf erneuerbare Energiequellen ist ein zentraler Aspekt zur Eindämmung des menschgemachten Klimawandels. Solarthermie bietet sich dabei als einfache, kostengünstige und erprobte Technologie in besonderem Maße an. Hierbei besteht jedoch das naturgegebene Problem des saisonalen Versatzes des Wärmebedarfs und des solaren Angebots, wodurch Solarthermie in der Regel maximal 20 % des Wärmebedarfs von Fernwärmesystemen decken kann. Zur Erreichung höherer Deckungsraten ist es erforderlich das mannigfaltige solare Angebot im Sommer über mehrere Monate zu speichern und somit im Winter nutzbar zu machen. Untergrundwärmespeicher sind aktuell die vielversprechendste Technologie, da sie im Gegensatz zu alternativen Technologieansätzen bereits eine vergleichsweise hohe Marktreife aufweisen und Kapazitäten zur Speicherung des winterlichen Wärmebedarfs ganzer Quartiere umsetzbar sind. Die Kombination dieser Technologien zu solaren Wärmenetzen mit Untergrundwärmespeichern, die zusätzlich meist noch mit weiteren Wärmequellen wie Geothermie, industrieller Abwärme oder power-to-heat kom-biniert werden, resultiert in komplexen Energiesystemen. Für diese ist eine genaue Auslegung der Komponentengrößen, Verschaltungsschemata und Betriebsweisen erforderlich, um sowohl die Versorgungssicherheit zu gewährleisten, als auch teure Überkapazitäten zu vermeiden. Zu diesem Zweck kommen in der Regel dynamische Systemsimulationen zum Einsatz, die den zeitlichen Verlauf von Wärmeangebot und -bedarf sowie die Wechselwirkungen der einzelnen Systemkomponenten berücksichtigen. Die Modellierungssprache Modelica ist ein konzeptionell mächtiger Ansatz zur Modellierung und Simulation physikalischer Systeme und kommt bei der Simulation thermischer Energiesysteme vermehrt zum Einsatz. Um die zahlreichen Vorteile von Modelica jedoch für die Simulation solarer Wärmenetze mit Untergrundwärmspeichern nutzbar zu machen und ein breites Benutzerfeld zu erreichen, werden entsprechende Modellbibliotheken benötigt. Diese sollten das Verhalten der Systemkomponenten möglichst genau abbilden, einfach anzuwenden sein und einen geringen numerischen Rechenaufwand benötigen. Im Rahmen dieser kumulativen Dissertation und den dazugehörigen Veröffentlichungen in wissenschaftlichen Fachzeitschriften wird die Entwicklung einer solchen Modellbibliothek erläutert. Diese MoSDH (Modelica Solar District Heating) genannte Modellbibliothek, umfasst Komponenten zur genauen, effizienten, benutzerfreundlichen und robusten Simulation solcher Systeme und beinhaltet Modelle für Untergrundwärmespeicher, die zuvor in der Modellierungssprache Modelica noch nicht implementiert waren. Vereinzelte Modelle und Aspekte von MoSDH wurden bereits in den besagten wissenschaftlichen Veröffentlichungen erläutert und für Fallstudien angewandt. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine umfassendere Beschreibung der Komponenten sowie des allgemeinen Ansatzes zur Systemmodellierung gegeben. Anhand von Fallbeispielen werden verschiedene Funktionalitäten näher beleuchtet und die akkurate und numerisch effiziente Nachbildung realer Systeme demonstriert. Die Modelle eignen sich sowohl für groß angelegte Optimierungsstudien, als auch für die detaillierte Untersuchung einzelner Aspekte. Weiterhin wird aufgezeigt, wie der objekt-orientierte Ansatz zur einfachen Anpassung, Erweiterung und Wiederverwendung von Modellkomponenten genutzt werden kann. Letztendlich werden die Modelle verwendet um in einer Studie aufzuzeigen, wie die Transformation eines Teils des Fernwärmesystems der TU Darmstadt in ein solares Wärmenetz mit saisonalem Untergrundwärmespeicher kosteneffizient zur Erreichung der Emissionsziele der Universität beitragen könnte.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XXVII, 196 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Geothermal Science and Technology
Date Deposited: 27 Jun 2022 12:25
Last Modified: 11 Nov 2022 09:28
DOI: 10.26083/tuprints-00021506
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-215067
Referees: Sass, Prof. Dr. Ingo ; Stephan, Prof. Dr. Peter ; Schüth, Prof. Dr. Christoph ; Schill, Prof. Dr. Eva
Date of oral examination: 20 May 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21506
PPN: 496579932
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