[논문 리뷰] The use of distributed thermal storage in district heating grids for demand side management

Dirk Vanhoudt, Bert Claessens외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 06.

Integrated Energy Systems Optimization참고 문헌 19인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 가스 연소형 복합발전(Combined Heat and Power, CHP)을 갖춘 소규모 지역 난방 시스템에 대해, 전기 요금이 높은 시기로 열 생산을 이区间시키기 위해 분산형 열 저장(중앙 집중식 보유탱크, 분산형 탱크, 또는 건물의 열질량)을 활용하는 능동적 모델 예측 제어 전략을 제안한다. 이로 인해 CHP의 수익성을 극대화할 수 있다. 연구 결과, 추가 투자 없이도 건물의 열질량을 활용할 경우 분산형 보유탱크와 거의 동일한 성능을 달성함을 확인하였으며, 이는 수요 측면 관리 측면에서 매우 유망한 전략으로 평가된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실시간 전기 요금과 열 수요 예측을 기반으로 하여 고가 전기 요금 기간에 전력 생산을 스케줄링함으로써 수익성을 극대화하는 지역 난방 네트워크 내 CHP에 대한 능동적 제어 전략을 개발하는 것.
• 중앙 보유탱크, 분산형 보유탱크, 건물 열질량의 세 가지 열 저장 구성 방식의 효과성을 비교하여 수익성 있는 CHP 운영을 가능하게 하는 데 목적이 있다.
• 실제 전기 요금 변동 상황에서 각 저장 구성의 운영 성능 및 경제적 수익성을 평가하는 것.
• 수요 반응을 위한 공학적 열 저장 솔루션의 저비용 대안으로서 건물 열질량의 잠재력을 평가하는 것.

제안 방법

• 실시간 전기 요금과 열 수요 예측을 기반으로 CHP 운영을 최적화하는 모델 예측 제어(MPC) 알고리즘을 개발하였다.
• 열 생산, 배관, 건물 열역학적 특성을 포함한 소규모 지역 난방 네트워크의 상세 시뮬레이션 모델을 구축하였다.
• 세 가지 저장 구성 방식을 시뮬레이션하였다: 중앙 보유탱크, 분산형 소형 저장 탱크, 건물의 열질량을 활용한 수동 저장.
• 제어 전략은 고가 전기 요금 기간 동안 CHP를 가동하고, 여유 열을 선택된 저장 매체에 저장함으로써 열 생산과 전력 생산을 분리하도록 설계되었다.
• 실제 벨기에 에너지 요금을 기반으로 대표적인 겨울 주간 동안의 운영 비용(가스, 펌프)과 수익(열 및 전력 판매)을 계산하였다.
• 수익, 에너지 효율성, 부하 프로파일 형성 능력에 기반하여 성능을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열 저장을 활용한 능동적 CHP 제어는 소규모 지역 난방 시스템의 수익성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 중앙 보유탱크, 분산형 보유탱크, 건물 열질량 저장의 상대적 성능은 수익성 있는 CHP 운영을 가능하게 하는 데 어떻게 다를까?
• RQ3 건물 열질량은 수요 측면 관리에서 공학적 저장 솔루션을 얼마나 대체할 수 있는가?
• RQ4 모델 예측 제어의 사용은 열 수요 프로파일과 시스템의 유연성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다양한 저장 구성 방식 간에 투자 비용과 운영 수익 간의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 모델 예측 제어를 활용한 CHP의 능동적 제어는 고가 전기 시장 가격 기간에 전력 생산을 맞추어 수익성을 크게 증가시킨다.
• 분산형 보유탱크 구성이 중앙 보유탱크 및 기준 열 기반 작동 방식보다 높은 수익을 창출하며, 가장 우수한 성능을 보였다.
• 건물 열질량 구성은 추가 투자 없이도 분산형 보유탱크 사례와 거의 동일한 수익을 달성하였다.
• 중앙 보유탱크 구성은 이론적으로는 더 높은 탄력성을 지녔음에도 불구하고, 열 관성의 효율적 활용이 부족하여 분산형 및 건물 질량 솔루션에 비해 성능이 열 劣하다.
• 건물의 총 열질량(4165 kWh/K)은 중앙 보유탱크(39.5 kWh/K)의 100배 이상이며, 이는 훨씬 더 높은 시스템의 탄력성을 가능하게 한다.
• 보유탱크 없이도 능동적 제어를 시행한 경우와 분산형 보유탱크를 사용한 경우의 수익 차이가 미미하여, 건물 열질량만으로도 상당한 운영적 이점을 제공함을 시사한다.