Modeling and optimization of urban energy systems for large-scale integration of variable renewable energy generation

Julkaisun otsikon käännös: Kaupunkien energiajärjestelmien mallinnus ja optimointi laajamittaisen vaihtelevan uusiutuvan energian lisäämiseksi

Jani Mikkola

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Vaihtelevan uusiutuvan energian (VRE), esimerkiksi tuuli- ja aurinkoenergian, nopea yleistyminen kasvattaa maailmanlaajuisesti epävarmuutta ja tuotannon heilahduksia energiajärjestelmissä. Tämän vuoksi tarvitaan uusia keinoja järjestelmien joustavuuden lisäämiseksi. Samalla kaupunkien kasvu ja globaali urbanisaatio nostavat kaupunkiympäristöjen merkitystä energiakysymyksissä. Onkin erittäin tärkeää keksiä ratkaisuja, joilla laajan mittakaavan VRE-tuotanto kaupungeissa mahdollistetaan. Tässä väitöskirjassa etistään kaupunkeihin sopivia keinoja, joilla energiajärjestelmien joustavuutta voidaan lisätä ja uusiutuvan energian osuutta kasvattaa. Tarkoitusta varten luotiin kolme uutta tietokonemallia, jotka ottavat huomioon sekä sähkön että termisen energian (lämmityksen ja jäähdytyksen). Ensimmäinen malli simuloi kaupunkien ajallista ja paikallista energiankulutusta, toinen keskittyy hajautettuun tuotantoon ja eri energiaverkkojen yhteiskäyttöön, ja kolmannella mallinnetaan energiajärjestelmän toimintaa, kun mukana on vanhoja voimalaitoksia ja paljon vaihtelevaa uusiutuvaa tuotantoa. Helsingistä saadut tulokset osoittavat, että sähkö–lämpö-konversio (P2H) joko sähkövastuksilla tai lämpöpumpuilla auttaa nostamaan tuulivoiman tuotannon määrää kaupungissa jopa nelin–viisinkertaiseksi (jopa 60 % sähköstä) verrattuna perinteiseen lähestymistapaan, jossa keskitytään yksinomaan sähköjärjestelmän toimintaan. Osa lisääntyneestä tuulituotannosta käytetään kattamaan jopa kolmannes kaupungin lämmöntarpeesta. Samalla P2H tekee hiilivoiman erittäin herkäksi hinnanvaihteluiden suhteen, mikä saattaa johtaa luonnostaan kokonaan hiilestä luopumiseen. Chilen Concepciónissa kaupungin aurinkoenergian potentiaali riittäisi kattamaan kaupungin koko energiantarpeen, mutta tekninen suorituskyky ja verkkoinfrastruktuuri rajoittavat aurinkosähkön osuuden noin 24 %:iin. P2H:n avulla osuus voidaan nostaa vähintään 34 %:iin ylikuormittamatta silti verkkoa. Samalla tuotettaisiin neljännes kaupungin lämmöntarpeesta. Tulokset osoittavat järjestelmätason tarkastelun tarpeellisuuden uusiutuvan energian suunnittelussa. Väitöskirja todistaa, että tarkastelemalla energiajärjestelmää kokonaisuutena (yksittäisen energiamuodon sijasta) sen joustavuutta voidaan lisätä ilman valtavia perinteisiä verkkoinvestointeja. Älykkäällä suunnittelulla ja monienergia-ajattelulla vaihtelevat uusiutuvat energiamuodot voidaan nostaa kaupunkiympäristöjen tärkeimmäksi energiamuodoksi.
Julkaisun otsikon käännösKaupunkien energiajärjestelmien mallinnus ja optimointi laajamittaisen vaihtelevan uusiutuvan energian lisäämiseksi
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Lund, Peter, Vastuuprofessori
  • Lund, Peter, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-7266-1
Sähköinen ISBN978-952-60-7265-4
TilaJulkaistu - 2017
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

  • kaupunkien energiajärjestelmät
  • energiajärjestelmien mallinnus
  • uusiutuva energia
  • optimointi
  • energiajoustavuus

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Kaupunkien energiajärjestelmien mallinnus ja optimointi laajamittaisen vaihtelevan uusiutuvan energian lisäämiseksi'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä