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Integration of sustainable multi-energy-hub systems from the system control perspective (IMES-SC)

English title Integration of sustainable multi-energy-hub systems from the system control perspective (IMES-SC)
Applicant Demiray Turhan Hilmi
Number 153888
Funding scheme NRP 70 Energy Turnaround
Research institution Forschungsstelle Energienetze ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Electrical Engineering
Start/End 01.10.2014 - 30.09.2017
Approved amount 358'549.00
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Keywords (4)

Energy Hubs ; Optimal Control ; Distributed Control ; Multi Energy Carriers

Lay Summary (German)

Lead
Die heutige Energieversorgung in Haushalten, Büros und Industrieanlagen umfasst mehrere Energieformen. Zum Beispiel gibt es in Haushalten elektrische Energie (Beleuchtung), fossile Energie (Gas zum Heizen oder Kochen) oder auch Wärmeenergie (Heizen durch Fernwärme). Die Energie wird heute meist zentral bereit gestellt und über ein Versorgungsnetz wie das Stromnetz zum Verbraucher geliefert. Immer mehr gewinnt aber auch die dezentrale Erzeugung an Bedeutung, zum Beispiel die Nutzung von Solaranlagen oder Wärmepumpen. Für die Zukunft ergeben sich dadurch mehrere Fragen für die Gestaltung der Energieversorgung.
Lay summary

Die gesetzten Ziele in der Energiestrategie 2050 fordern einen Paradigmenwechsel in der Energieversorgung und benötigen somit eine detaillierte Untersuchung folgender Fragen:  

- Wie kann die Stabilität und Zuverlässigkeit der gesamte Energieversorgung mit vielen dezentralen Erzeugern, Verbrauchern und Speichern garantiert werden? 

- Wie können die verschiedene Energieformen kombiniert werden um die einzelnen Verbraucher optimal und kostengünstig zu versorgen? 

- Wie sollte das Zusammenspiel zwischen Netzbetreibern und Verbrauchern gestaltet werden um den Endkunden die grösstmögliche Flexibilität zu ermöglichen? 

Die Antwort auf diese Fragen erfordert ein Zusammenführen verschiedener bestehender und neuer Technologien. Zum Beispiel sind intelligente Stromnetze (mit regelbaren Stromzählern), Umwandlung von Energieformen (Gas und Strom zu Wärme) und die Vorhersage von Energieprofilen (wetterabhängige Verfügbarkeit von Sonnenenergie) wichtige Einzelbausteine der zukünftigen Energieversorgung. Das Hauptziel des Projektes ist die Entwicklung einer kostengünstigen Strategie für den Betrieb aller Erzeuger, Umwandler und Verbraucher von Energie auf der Endkundenebene. Die Betriebsstrategie muss die Grenzen der einzelnen Technologien kennen, Vorhersagen zur Nachfrage treffen und die Verfügbarkeit einzelner Energieformen berücksichtigen. Ausserdem untersucht das Projekt die Planung zukünftiger Energieversorgungssysteme. Ausgehend von bestehenden Technologien, den Zielen und den regionalen Verhältnissen beim Endverbraucher werden Entscheidungskriterien für die Auswahl und Aufteilung der neuen Energiesysteme entwickelt.

 

Direct link to Lay Summary Last update: 21.10.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Operational optimisation for multi-carrier networks
Giovanni Beccuti, Turhan Demiray (2017), Operational optimisation for multi-carrier networks, in Proceedings of the IEEE Pow- ertech, Manchester, UKIEEE, Piscataway, New Jersey, USA.
Scalability through Decentralization: A Robust Control Approach for the Energy Management of a Building Community
G. Darivianakis, A. Georghiou, A. Eichler, R.S. Smith, J. L ygeros (2017), Scalability through Decentralization: A Robust Control Approach for the Energy Management of a Building Community, in Proceeding of the IFAC World Congres, Toulouse, FranceIFAC, AUSTRIA.
A Stochastic Optimization Approach to Cooperative Building Energy Management via an Energy Hub
Darivianakis Georgios, Georghiou Angelos, Smith Roy, Lygeros John (2015), A Stochastic Optimization Approach to Cooperative Building Energy Management via an Energy Hub, in Proceedings of the IEEE Conference on Decision and Control, Osaka, JapanIEEE, Piscataway, New Jersey, USA.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Separation Processes Laboratory -ETH Zurich Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Dep. of Environmental Systems Science - ETH Zürich Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Chair of Sustainability and Technology - ETH Zurich Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Chair of Building Physics - ETH Zürich, Switzerland Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Laboratory for Energy Conversion - ETH Zurich Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
IEEE Powertech Conference Poster Operational optimisation for multi-carrier networks 21.06.2017 Manchester, Great Britain and Northern Ireland Beccuti Giovanni Andrea;
Frontiers in Energy Research Individual talk Optimal Energy Management of Buildings and Districts 01.03.2016 ETH Zürich, Switzerland Darivianakis Georgios; Smith Roy;
IEEE Conference on Decision and Control Talk given at a conference A Stochastic Optimization Approach to Cooperative Building Energy Management via an Energy Hub 15.12.2015 Osaka, Japan Darivianakis Georgios; Smith Roy;


Communication with the public

Communication Title Media Place Year
New media (web, blogs, podcasts, news feeds etc.) Optimal Energy Management of Buildings and Districts ETH Energy Science Center website International 2016

Abstract

Increasing energy efficiency at the unit and neighbourhood level for residential, commercial and industrial through innovative approaches is crucial for achieving Switzerland’s strategic objectives in the energy domain. In order to pursue this aim it is necessary to develop more advanced control algorithms to appropriately schedule energy utilisation by fully exploiting the novel conversion, storage and allocation possibilities offered by integrated energy hub systems.The project objective is to develop and implement a viable control scheme for the operation of such entities. The proposed scheme must be capable of appropriately controlling the relevant generation, conversion and storage technologies in order to meet the required electric and heat demand while ensuring performance optimization regarding, e.g., economic costs, losses, or CO2 emissions and by also taking the interdependency of the different energy carriers inherently into account. A promising approach for addressing such multivariable and multiobjective problems is the use of model predictive control (MPC) methods, as such methods are capable of controlling complex systems with both operational constraints and time-varying objectives. MPC is suited for control of multi-carrier systems, since it can adequately take into account the dynamics of the energy storage devices and the characteristics of the electricity and natural gas networks. By using MPC, actions can be determined that anticipate future events, such as increasing or decreasing energy prices or changes within the load profiles. Operation costs are reduced by exploiting forecasts about future loads, weather, and energy availability, to plan an optimal energy use scenario for a medium term (several days) horizon. The strategy is recalculated typically every 15 minutes to compensate for changing operating conditions. This allows predictive action, such as storing energy before peak times, changing the settings of a power plant with sufficient lead-time, or starting up an additional power plant as required.
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