[論文レビュー] The use of distributed thermal storage in district heating grids for demand side management

Dirk Vanhoudt, Bert Claessens+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2017

Integrated Energy Systems Optimization参考文献 19被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、ガス駆動の併産発電（CHP）を備えた小規模な地区給湯システムに対して、分散型熱蓄熱（中央バッファタンク、分散型小容量貯蔵容器、または建物の熱容量）を用いた、能動的でモデル予測制御（MPC）戦略を提案する。この戦略により、発電コストが高い時期に熱生産をシフトさせ、CHPの収益性を最大化する。研究では、追加投資が不要な建物の熱容量を活用することで、分散型バッファとほぼ同等の性能が得られることを示しており、需要側管理において極めて有望である。

ABSTRACT

The work presented in this paper relates to a small scale district heating network heated by a gas fired CHP. In most common situations, such a CHP is heat driven operated, meaning that the CHP will switch on whenever heat is needed, while not taking into account the demand of electricity at that time. In this paper however, an active control strategy is developed, aiming to maximize the profit of the CHP, selling its electricity to the spot market. The CHP will therefore switch on at moments of high electricity prices. Nevertheless, since there never is a perfect match between the demand of heat and the demand of electricity, a thermal energy storage is included in the network to overcome the difference between supply and demand of heat in the network. In this study, three different storage concepts are compared: (1) a central buffer tank next to the CHP; (2) small storage vessels distributed over the different connected buildings; and (3) the use of the thermal mass if the buildings as storage capacity. Besides the development of the control algorithms based on model predictive control, a simulation model of the network is described to evaluate the performance of the different storage concept during a representative winter week. The results show that the presented control algorithm can significantly influence the heat demand profile of the connected buildings. As a results, active control of the CHP can drastically increase the profit of the CHP. The concept with the distributed buffers gives the best results, however the profit for the thermal mass concept is only marginally smaller. Since in this latter case no significant investment costs are needed, the conclusion for this case study is that the use of thermal mass of buildings for demand side management in district heating systems is very promising.

研究の動機と目的

• 高価格帯の電力市場価格期間中に発電をスケジューリングすることで、収益を最大化する地区給湯ネットワークにおけるCHPの能動的制御戦略の開発。
• 中央バッファ、分散型バッファ、建物の熱容量という3つの熱蓄熱構成の有効性を比較し、能動的CHP制御を可能にする。
• 実際の電力価格変動を想定した条件下で、各蓄熱構成の運用性能と経済的収益性を評価する。
• 需要応答における設計された熱蓄熱ソリューションの代替手段としての建物熱容量の可能性を評価する。

提案手法

• リアルタイムの電力価格と熱需要予測に基づいてCHP運用を最適化するためのモデル予測制御（MPC）アルゴリズムを開発した。
• 熱生産、配管、建物の熱的ダイナミクスを含む、小規模な地区給湯ネットワークの詳細なシミュレーションモデルを構築した。
• 3つの蓄熱構成をシミュレーションした：中央バッファタンク、分散型小容量貯蔵容器、建物の熱容量を用いた被動的蓄熱。
• 制御戦略は、電力価格が高い時期にCHPを起動し、余剰熱を選択された蓄熱媒体に貯蔵することで、熱生産と電力生産の分離を図った。
• 代表的な冬週間のベルギーの実際のエネルギー価格を用いて、ガス費、ポンプ運転費、および熱・電力販売収益を計算した。
• 利益、エネルギー効率、負荷プロファイルの整形の観点から、性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱蓄熱を用いた能動的CHP制御は、小規模地区給湯システムの収益性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 中央、分散、建物の熱容量蓄熱の相対的性能は、収益性の高いCHP運用を可能にする上で、それぞれどのように差異を示すか？
• RQ3 需要側管理において、建物の熱容量は、設計された蓄熱ソリューションにどの程度置き換え可能か？
• RQ4 モデル予測制御の使用は、熱需要プロファイルとシステムの柔軟性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 異なる蓄熱構成において、投資コストと運用利益のトレードオフはどのようなものか？

主な発見

• モデル予測制御を用いたCHPの能動的制御により、電力市場価格が高い時期に発電を調整することで、収益性が顕著に向上した。
• 分散型バッファ構成が、中央バッファおよび参照の熱駆動運転に比べ、最高の収益を達成した。
• 追加投資が不要な建物の熱容量構成は、分散型バッファとほぼ同等の収益を達成した。
• 中央バッファ構成は、理論上の柔軟性は高いものの、熱インertiaの有効活用が不十分であるため、分散型および建物の熱容量ソリューションに比べて性能が劣った。
• 建物の総熱容量（4165 kWh/K）は、中央バッファ（39.5 kWh/K）の100倍以上であり、はるかに高いシステムの柔軟性を可能にした。
• バッファなしの能動的運用と分散型バッファ運用の収益差は極めて小さく、建物の熱容量のみで顕著な運用的利益が得られることを示している。