Advanced methods for sustainable energy systems in operation and design of district heating networks

par Stefano Coss

Thèse de doctorat en Energétique, Thermique, Combustion

Sous la direction de Olivier Le Corre et de Vittorio Verda.

Soutenue le 14-09-2018

à l'Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire en cotutelle avec l'Ecole polytechnique . Turin (Italie) , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Nantes) , en partenariat avec Département Systèmes énergétiques et environnement (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Méthodes avancées pour les systèmes énergétiques durables dans l' opération et la conception de réseaux de chauffage urbain


  • Résumé

    Les réseaux de chauffage urbain (DHN) sont un moyen efficace de fournir de l'énergie thermique aux consommateurs. L'état actuel de la technique montre que les DHN évoluent vers des réseaux thermiques intelligents dans des systèmes énergétiques intégrés alors que leur conception est basée sur les principes de durabilité. Sur cette base, cette thèse couvre deux domaines de recherche principaux : Fonctionnement et conception des systèmes de chauffage urbain. Dans la partie A de cette thèse, des méthodes avancées pour le fonctionnement de la DHN sont développées à l'aide d'analyses exergétiques et thermoéconomiques. Cela inclut la formulation de bilans de coûts exergétiques pour les modèles de réseau basés sur des graphiques. La partie intrinsèque est le déploiement d'une matrice algébrique, qui détermine les coûts exergétiques pour la modélisation dynamique du système. Une étude de cas d'un réseau réel prouve que la méthodologie proposée offre de nouvelles perspectives sur l'allocation individuelle des coûts, ce qui aide à évaluer la faisabilité de l'intégration par des tiers et l'intégration des sources d'énergie distribuées. Dans la partie B de cette thèse, un nouvel indicateur appelé «load deviation index (LDI)» est proposé pour lier les mesures de la demande (DSM) à la conception durable des systèmes DHN. Pour cela, un cadre de conception axé sur les affaires est proposé, qui prend en compte les influences critiques dans le DHN tout en évitant un trop grand détail. Le comportement du DSM est analysé du point de vue du système et son impact sur la conception du DHN est étudié dans deux études de cas. Alors que l'un se concentre sur les benchmarks pour différentes options de conception en utilisant une métrique de durabilité multicritères, un autre donne des indications détaillées sur l'utilité du cadre proposé pour la conception en évaluant l'impact de DSM sur les améliorations de conception possibles.


  • Résumé

    District heating networks (DHN) arean efficient way of providing thermal energy to consumers. Current state of the art shows that DHNs are developing towards smart thermal networks in integrated energy systems while their design is based upon the principles of sustainability. Based on that, this thesis covers two main research areas: Operation and design of district heating systems. In part A of this thesis, advanced methods for DHN operation are developed with the help of exergetic and thermoeconomic analysis. This includes the formulation of exergetic cost balances for graph-based network models. Intrinsic part is the deployment of an algebraic matrix, which determines the exergetic costs for dynamic system modeling. A case study of areal-existing network provides evidence that the proposed methodology offers new insights into individual allocation of costs which helps to assess the feasibility of third-party integration and the integration of distributed energy sources. In part B of this thesis, a new indicator called “load deviation index (LDI)” is proposed to link demand side measures (DSM) with the sustainable design of DHN systems. For that, abusiness-focused design frameworks proposed which takes the critical influences of DHN into account while avoiding a too high detail. DSM behavior is analyzed from a system perspective and its impact on DHN design is studied in two case studies. While one focuses on benchmarks for different design options using a multi-criteria sustainability metric, another gives detailed insights into the usefulness of the proposed framework for design purposes through assessing the impact of DSM on possible design improvements using a multi-objective optimization approach.


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