Comprehensive framework for modelling and simulation of multi-energy systems: methods, implementation, and applications for high renewable energy integration

Abstract

The transition to a sustainable energy future hinges on the successful integration of renewable energy sources (RES) and the development of efficient, resilient multi-energy systems (MES). This thesis introduces a comprehensive framework for modelling, simulation, and optimisation of MES across various spatial and operational scales. Addressing challenges associated with high-RES penetration, system efficiency, and grid stability, this research emphasises the need for tailored tools and methodologies to facilitate the energy transition. At the core of this work lies INTEMA (INTegrated Energy MAnagement), a dynamic simulation and optimisation platform comprising two primary modules—INTEMA.building and INTEMA.grid. INTEMA supports detailed modelling and performance assessment of buildings and grids, leveraging open-source Modelica libraries and employing state-of-the-art techniques, including white-box and grey-box modelling, predictive algorithms, and optimisation frameworks. Its user-friendly web interface democratises advanced energy analysis, enabling both experts and non-experts to evaluate and improve MES performance. The platform's capabilities are demonstrated through eight case studies in different climatic zones and operational contexts across Europe. In Southern Europe, at a student building in Greece, the integration of biomass heating, solar thermal systems, and a multi-source heat pump led to a 12.4% reduction in heating demand and a significant increase in renewable energy utilisation. In Central Europe, at a student building in Hungary, the installation of dynamically adaptable exterior walls, advanced insulating materials, and smart window systems was examined, resulting in a 72.7% reduction in heating demand. In Northern Europe, a residential building in France was evaluated using automated BIM-to-BEM processes, while renovations, including the installation of heat pumps and photovoltaic systems, led to a 67% reduction in primary energy demand. The thesis also addresses energy systems at the grid level. A stability analysis of the islanded power grid in Madeira, Portugal, explored the integration of high-RES penetration with battery energy storage systems (BESS), demonstrating improved operational stability. Similarly, in Terceira, Azores, a predictive energy management study highlighted the benefits of combining RES and BESS to enhance grid reliability and reduce operational costs. Finally, a mixed-use energy system in Budapest, Hungary, was analysed to evaluate the potential for RES integration and energy performance optimisation in urban settings. The integration of building energy systems into the grid is explored through two case studies. The first focuses on the performance of photovoltaic-battery systems in buildings with net billing, demonstrating that self-consumption can reach up to 75%, while the annual reduction in energy costs ranges between 30-50%. The second study examines the deployment of distributed generation at the neighbourhood level, comparing decentralised and centralised energy systems. The results indicate that decentralised generation reduces peak loads by 20%, while centralised systems achieve faster payback times, with a reduction of up to 25% in the repayment period. Additionally, the study analyses the coordinated control of building systems for providing ancillary services, such as voltage regulation, enhancing grid stability and efficiency. This thesis highlights several key innovations, including the dynamic simulation of multi-energy systems, automation in energy modelling processes, and the use of predictive algorithms for demand and RES production forecasting. These methodologies enable a nuanced understanding of transient behaviours and interactions in MES, providing actionable insights that static models often overlook. The research also demonstrates the transformative potential of combining automation with dynamic simulations, offering a scalable solution for evaluating multiple scenarios, optimising system performance, and balancing energy, economic, and environmental objectives. By addressing critical technical and economic challenges, this work contributes directly to advancing the European Green Deal’s objectives. The proposed framework and case studies illustrate how tailored tools and methodologies can significantly enhance energy efficiency, promote the integration of RES, and support the development of resilient, sustainable energy systems across varied applications and geographic contexts.

Η μετάβαση προς ένα βιώσιμο ενεργειακό μέλλον βασίζεται στην επιτυχημένη ενσωμάτωση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) και στην ανάπτυξη αποδοτικών, ανθεκτικών Πολυενεργειακών Συστημάτων (ΠΕΣ). Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο για τη μοντελοποίηση, προσομοίωση και βελτιστοποίηση ΠΕΣ σε διάφορες χωρικές και επιχειρησιακές κλίμακες. Αντιμετωπίζοντας προκλήσεις που σχετίζονται με την υψηλή διείσδυση ΑΠΕ, την ενεργειακή αποδοτικότητα και τη σταθερότητα δικτύου, η έρευνα αυτή υπογραμμίζει την ανάγκη για προσαρμοσμένα εργαλεία και μεθοδολογίες για τη διευκόλυνση της ενεργειακής μετάβασης. Στην καρδιά αυτής της εργασίας βρίσκεται το INTEMA (INTegrated Energy MAnagement), μια δυναμική πλατφόρμα προσομοίωσης και βελτιστοποίησης, η οποία περιλαμβάνει δύο βασικές εκφάνσεις αυτής, ανάλογα με το αντικείμενο μελέτης, ήτοι τα INTEMA.building και INTEMA.grid. Το INTEMA υποστηρίζει τη λεπτομερή μοντελοποίηση και αξιολόγηση της απόδοσης κτιρίων και δικτύων, αξιοποιώντας βιβλιοθήκες ανοιχτού κώδικα Modelica και χρησιμοποιώντας αριθμητικά μοντέλα τύπου white-box (ερμηνεύσιμα μοντέλα) και grey box (μερικώς ερμηνεύσιμα μοντέλα), προβλεπτικούς αλγορίθμους και βελτιστοποίηση. Το φιλικό προς τον χρήστη περιβάλλον διεπαφής του INTEMA επιτρέπει την αποτελεσματική αξιολόγηση και βελτίωση των ΠΕΣ τόσο από ειδικούς όσο και από μη εξειδικευμένους χρήστες. Οι δυνατότητες της πλατφόρμας αποδεικνύονται μέσω οκτώ περιπτώσεων μελέτης σε διαφορετικές κλιματικές ζώνες και επιχειρησιακά πλαίσια στην Ευρώπη. Στη Νότια Ευρώπη, σε φοιτητικό κτίριο στην Ελλάδα, η ενσωμάτωση θέρμανσης από βιομάζα, ηλιοθερμικών συστημάτων και αντλίας θερμότητας πολλαπλών πηγών οδήγησε σε μείωση της ζήτησης θέρμανσης κατά 12,4% και σε σημαντική αύξηση της αξιοποίησης ΑΠΕ. Στην Κεντρική Ευρώπη, σε φοιτητικό κτίριο στην Ουγγαρία, εξετάστηκε η εγκατάσταση δυναμικά προσαρμοζόμενων εξωτερικών τοίχων, προηγμένων μονωτικών υλικών και έξυπνων συστημάτων παραθύρων, με αποτέλεσμα μείωση της ζήτησης θέρμανσης κατά 72,7%. Στη Βόρεια Ευρώπη, σε κτίριο κατοικιών στη Γαλλία, πραγματοποιήθηκε αξιολόγηση μέσω αυτοματοποιημένων διαδικασιών BIM-to-BEM, ενώ οι ανακαινίσεις, όπως η εγκατάσταση αντλιών θερμότητας και φωτοβολταϊκών συστημάτων, οδήγησαν σε μείωση της πρωτογενούς ενεργειακής ζήτησης κατά 67%. Η διατριβή εστιάζει επίσης σε συστήματα ενέργειας σε επίπεδο δικτύου. Μια ανάλυση σταθερότητας του νησιωτικού συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας στη Μαδέιρα της Πορτογαλίας εξερεύνησε την ενσωμάτωση υψηλής διείσδυσης ΑΠΕ με συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, καταδεικνύοντας τη βελτίωση της λειτουργικής σταθερότητας. Αντίστοιχα, στην Τερσέιρα των Αζορών, μια μελέτη διαχείρισης ενέργειας ανέδειξε τα οφέλη του συνδυασμού ΑΠΕ και αποθήκευσης για την ενίσχυση της αξιοπιστίας του δικτύου και τη μείωση του κόστους. Τέλος, ένα μικτό ενεργειακό σύστημα στη Βουδαπέστη της Ουγγαρίας αναλύθηκε για την αξιολόγηση της ενσωμάτωσης ΑΠΕ και της βελτιστοποίησης ενεργειακής απόδοσης σε αστικά περιβάλλοντα.Η ενσωμάτωση κτηριακών ενεργειακών συστημάτων στο δίκτυο διερευνάται μέσα από δύο μελέτες περίπτωσης. Η πρώτη επικεντρώνεται στην απόδοση φωτοβολταϊκών-συσσωρευτών σε κτήρια με συμψηφισμό ενέργειας και οικονομική αποζημίωση, καταδεικνύοντας ότι η αυτοκατανάλωση μπορεί να φτάσει έως και 75%, ενώ η μείωση του ετήσιου ενεργειακού κόστους κυμαίνεται μεταξύ 30-50%. Η δεύτερη μελέτη εξετάζει την εγκατάσταση διανεμημένης παραγωγής σε επίπεδο γειτονιάς, συγκρίνοντας αποκεντρωμένα και συγκεντρωτικά ενεργειακά συστήματα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η αποκεντρωμένη παραγωγή μειώνει τις αιχμές φορτίου κατά 20%, ενώ τα συγκεντρωτικά συστήματα επιτυγχάνουν ταχύτερη απόσβεση, με μείωση του χρόνου αποπληρωμής έως και 25%. Παράλληλα, αναλύεται ο συντονισμένος έλεγχος των κτηριακών συστημάτων για την παροχή υποστηρικτικών υπηρεσιών, όπως η ρύθμιση τάσης, ενισχύοντας τη σταθερότητα και την αποδοτικότητα του δικτύου. Αυτή η διατριβή αναδεικνύει καινοτομίες, όπως η δυναμική προσομοίωση πολυενεργειακών συστημάτων, η αυτοματοποίηση στη μοντελοποίηση ενεργειακών συστημάτων και η χρήση προβλεπτικών αλγορίθμων για την πρόβλεψη ζήτησης και παραγωγής ΑΠΕ. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες εξασφαλίζουν μια λεπτομερή κατανόηση των παροδικών φαινομένων και των αλληλεπιδράσεων στα ΠΕΣ, παρέχοντας πρακτικά αποτελέσματα που συχνά παραβλέπονται από στατικά μοντέλα. Τα ευρήματα αυτής της έρευνας συμβάλλουν άμεσα στους στόχους της Ευρωπαϊκής Πράσινης Συμφωνίας, παρέχοντας λύσεις που προωθούν την ενεργειακή αποδοτικότητα, την ενσωμάτωση ΑΠΕ και την ανάπτυξη ανθεκτικών, βιώσιμων ενεργειακών συστημάτων σε ποικίλες εφαρμογές και γεωγραφικά πλαίσια.