José F. CASTRO FLORES
Mémoire présenté en vue de l’obtention du / Thesis presented to obtain the : grade de Docteur de L'Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne-Pays de la Loire - IMT Atlantique sous le sceau de l’Université Bretagne Loire et / and
Teknologie Doktorsexamen from KTH - Royal Institute of Technology, Sweden
École doctorale / Doctorate School : SCIENCES POUR L’INGENIEUR
Spécialité / Field : Energétique, Thermique et Combustion / Energy Technology Unité de recherche : GEPEA UMR CNRS 6144
Soutenue le / Defended on : 04 juillet 2018 Thèse N° : 2018IMTA0084
Low-temperature based thermal micro-grids:
Operation and performance assessments
Micro-réseaux de chaleur urbains basse température :
Evaluation du fonctionnement et de la performance
JURY / COMMITTEE
Rapporteurs / Reviewers : Catherine AZZARO PANTEL, Prof., Université de Toulouse ENSIACET, France Stéphane GRIEU, Prof., Université de Perpignan Via Domitia, France
Examinateurs / Members : Konstantinos KYPRIANIDIS, Prof., MDH Mälardalen University, Sweden Björn KARLSSON, Prof., HIG University of Gävle, Sweden
Carl Johan FOGELHOLM, Prof., Aalto, Finland Invité / Opponent : Vittorio VERDA, Prof., Polito, Italy
Directeur de Thèse IMT Atlantique / Supervisor : Bruno LACARRIERE, Prof., IMT Atlantique, France
Directeur de Thèse KTH / Supervisor : Viktoria MARTIN, Prof., KTH Royal Institute of Technology, Sweden
Doctoral Thesis
TRITA-ITM-AVL 2018:36 ISBN 978-91-7729-847-2
©José Fiacro Castro Flores, 2018
Doctoral Thesis
Micro-réseaux de chaleur urbains basse température : évaluation du fonctionnement et de la performance
Résumé
L’utilisation d'énergie en milieu urbain est essentielle pour le bon fonctionnement de notre société, en particulier pour les besoins de chauffage qui est un élément central de notre système énergétique souvent considéré comme allant de soi. Dans ce cadre, les systèmes énergétiques urbains et en particulier les réseaux de chaleur urbains ont besoin d’évoluer pour s'adapter à la transition à venir vers un système énergétique durable.
Ce travail de recherche a pour objectif de présenter, de discuter et d’évaluer, du point de vue technico-
économique, le concept de micro-réseaux de chaleur urbains basse température comme réseaux secondaires de distribution de chaleur actifs. Dans cette thèse, une approche méthodologique mixte basée sur la simulation analytique pour l'évaluation des alternatives est
développée et discutée pour étudier une combinaison de technologies associées aux sous-stations basse
température.
Les principaux résultats de ce travail couvrent : le développement d’un modèle amélioré de charges thermiques agrégées ; la comparaison des performances des réseaux basse température ; l’analyse des avantages et des inconvénients des sous-stations actives couplées à des sources de chaleur ou du stockage distribuées ; et les effets d’une température de retour du réseau primaire plus basse.
Les conclusions révèlent que la conception et le fonctionnement intégrés du micro-réseau de chaleur urbain actif ont le potentiel d'améliorer les performances de l'ensemble du système, afin de relever ses défis d'une manière efficace et rentable. Ce travail fait progresser les connaissances actuelles sur le chauffage urbain en identifiant les synergies et les enjeux associés, en vue de que ces technologies jouent un rôle clé dans le futur système énergétique intelligent et durable.
Mots clés
chauffage urbain basse température ; micro-réseaux de chaleur urbains actifs ; évaluation de la
performance ; sources de chaleur distribuées
Abstract
Energy use in the urban environment is vital for the proper functioning of our society, and in particular, comfort heating –and cooling– is a central element of our energy system that is often taken for granted. Within this context, district energy systems and especially, district heating (DH) systems must evolve to adapt to the upcoming decades-long transition towards a sustainable energy system.
This dissertation seeks to introduce, discuss, and asses from a techno-economic perspective, the concept of low-temperature based thermal micro-grids (subnets) as active distribution thermal networks. For this purpose, a mixed methodological approach based on analytical simulation for the assessment of alternatives is developed and discussed to evaluate a set of technologies.
Key findings of this research include: an updated and improved model of aggregated heat loads; the identification of differences in load and temperature patterns for certain LT subnets; the analysis of benefits and drawbacks of active substations with distributed heat sources and/or storage; and the impact of the reduction of the primary network return temperature, which leads to lower generation & operating costs.
These outcomes reveal that the integrated design and operation of the active thermal micro-grid have the potential to improve the performance of the entire system, to address the matter of providing comfort heating in an effective and cost-efficient manner. This work advances the current DH knowledge by identifying synergies and challenges that arise with these new developments, in order for DH to play a key role in the future smart and sustainable energy system.
Keywords
