Decentralised production in urban systems, the vision of the Institute of Energy Sciences of EPFL

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1 Decentralised production in urban systems, the vision of the Institute of Energy Sciences of EPFL Dr. François Marechal 1 Dr. R. Cherkaoui 2, Dr. Ph Barrade 3 1 Laboratoire d énergétique industrielle (LENI) 2 Laboratoire des réseaux électrique(lre) 3 Laboratoire d électronique industrielle (LEI) Ecole Polytechnique fédérale de Lausanne - mailto:francois.marechal@epfl.ch

2 Content Decentralised production of energy services systems Cogeneration Heat pumps Polygeneration and integrated systems Advanced systems The challenges Integrated system design - networks Integrated system design - energy conversion Optimal management of energy services supply Conclusions

3 Fig. 5 Detailliertes Energieflussdiagramm der Schweiz 2001 (in TJ) Flux énergétique détaillé de la Suisse en 2001 (en TJ) Energieeinsatz Utilisation totale Umwandlung Transformation Energy conversion Endverbrauch Consommation finale (27,7) (19,8) (17,0) Feste Brennstoffe Rohöl Erdölprodukte Gas Kernbrennstoffe Wasserkraft Übrige erneuerbare Energien Elektrizität Fernwärme Raffinerien Wasser- und Kernkraftwerke, diverse Erneuerbare Gaswerke Konventionellthermische Kraft-, Fernheiz- und Fernheizkraftwerke Inlandproduktion Import Export Lagerveränderungen Eigenverbrauch des Energiesektors, Übertragungs- und Verteilverluste Nicht energetischer Verbrauch Haushalte Combustibiles solides Pétrole brut Produits pétroliers Gaz Combustibles nucléaires Energie hydraulique Autres énergies renouvelables Electricité Chaleur à distance Raffineries Centrales hydrauliques et nucléaires, autres renouvelables Usines à gaz Centrales thermiques class., chauffage à distance, centrales chaleur-force Production indigène Importation Exportation Variations des stocks Consommation propre du secteur énergétique, pertes de transport et de distribution Consommation non-énergétique Ménages 8 Comparaison de tous les agents énergétiques de la production à la consommation (33,9) Dienstleistungen Services Source : OFEN statistics (1,6) Verkehr Statistische Differenz inklusive Landwirtschaft Transport Différence statistique y compris l agriculture

4 Fig. 5 Detailliertes Energieflussdiagramm der Schweiz 2001 (in TJ) Flux énergétique détaillé de la Suisse en 2001 (en TJ) Primary energy 53 W/cap Energieeinsatz Utilisation totale Umwandlung Transformation Energy conversion Endverbrauch Consommation finale (27,7) (19,8) (17,0) Feste Brennstoffe Rohöl Erdölprodukte Gas Kernbrennstoffe Wasserkraft Übrige erneuerbare Energien Elektrizität Fernwärme Raffinerien Wasser- und Kernkraftwerke, diverse Erneuerbare Gaswerke Konventionellthermische Kraft-, Fernheiz- und Fernheizkraftwerke Inlandproduktion Import Export Lagerveränderungen Eigenverbrauch des Energiesektors, Übertragungs- und Verteilverluste Nicht energetischer Verbrauch Haushalte Combustibiles solides Pétrole brut Produits pétroliers Gaz Combustibles nucléaires Energie hydraulique Autres énergies renouvelables Electricité Chaleur à distance Raffineries Centrales hydrauliques et nucléaires, autres renouvelables Usines à gaz Centrales thermiques class., chauffage à distance, centrales chaleur-force Production indigène Importation Exportation Variations des stocks Consommation propre du secteur énergétique, pertes de transport et de distribution Consommation non-énergétique Ménages 8 Comparaison de tous les agents énergétiques de la production à la consommation (33,9) Dienstleistungen Services Source : OFEN statistics (1,6) Verkehr Statistische Differenz inklusive Landwirtschaft Transport Différence statistique y compris l agriculture

5 Fig. 5 Detailliertes Energieflussdiagramm der Schweiz 2001 (in TJ) Flux énergétique détaillé de la Suisse en 2001 (en TJ) Primary energy 53 W/cap Solids 5.4 Energieeinsatz Utilisation totale Umwandlung Transformation Petroleum products 48 70g CO2/MJ Natural gas g CO2/MJ Nuclear 22.8 Hydro 15.7 Renewables 1 Source : OFEN statistics Energy conversion Endverbrauch Consommation finale (27,7) (19,8) (17,0) (33,9) 14 8 (1,6) Feste Brennstoffe Rohöl Erdölprodukte Gas Kernbrennstoffe Wasserkraft Übrige erneuerbare Energien Elektrizität Fernwärme Raffinerien Wasser- und Kernkraftwerke, diverse Erneuerbare Gaswerke Konventionellthermische Kraft-, Fernheiz- und Fernheizkraftwerke Inlandproduktion Import Export Lagerveränderungen Eigenverbrauch des Energiesektors, Übertragungs- und Verteilverluste Nicht energetischer Verbrauch Haushalte Dienstleistungen Verkehr Statistische Differenz inklusive Landwirtschaft Combustibiles solides Pétrole brut Produits pétroliers Gaz Combustibles nucléaires Energie hydraulique Autres énergies renouvelables Electricité Chaleur à distance Raffineries Centrales hydrauliques et nucléaires, autres renouvelables Usines à gaz Centrales thermiques class., chauffage à distance, centrales chaleur-force Production indigène Importation Exportation Variations des stocks Consommation propre du secteur énergétique, pertes de transport et de distribution Consommation non-énergétique Ménages Services Transport Différence statistique y compris l agriculture 8 Comparaison de tous les agents énergétiques de la production à la consommation

6 Fig. 5 Detailliertes Energieflussdiagramm der Schweiz 2001 (in TJ) Flux énergétique détaillé de la Suisse en 2001 (en TJ) Primary energy 53 W/cap Solids 5.4 Energieeinsatz Utilisation totale Umwandlung Transformation Petroleum products 48 70g CO2/MJ Natural gas g CO2/MJ Nuclear 22.8 Hydro 15.7 Renewables 1 Source : OFEN statistics Energy conversion Endverbrauch Consommation finale (27,7) (19,8) (17,0) (33,9) 14 8 (1,6) Feste Brennstoffe Energy services 3881 W/cap Rohöl Erdölprodukte Gas Kernbrennstoffe Wasserkraft Übrige erneuerbare Energien Elektrizität Fernwärme Raffinerien Wasser- und Kernkraftwerke, diverse Erneuerbare Gaswerke Konventionellthermische Kraft-, Fernheiz- und Fernheizkraftwerke Inlandproduktion Import Export Lagerveränderungen Eigenverbrauch des Energiesektors, Übertragungs- und Verteilverluste Nicht energetischer Verbrauch Haushalte Dienstleistungen Verkehr Statistische Differenz inklusive Landwirtschaft Combustibiles solides Pétrole brut Produits pétroliers Gaz Combustibles nucléaires Energie hydraulique Autres énergies renouvelables Electricité Chaleur à distance Raffineries Centrales hydrauliques et nucléaires, autres renouvelables Usines à gaz Centrales thermiques class., chauffage à distance, centrales chaleur-force Production indigène Importation Exportation Variations des stocks Consommation propre du secteur énergétique, pertes de transport et de distribution Consommation non-énergétique Ménages Services Transport Différence statistique y compris l agriculture 8 Comparaison de tous les agents énergétiques de la production à la consommation

7 Fig. 5 Detailliertes Energieflussdiagramm der Schweiz 2001 (in TJ) Flux énergétique détaillé de la Suisse en 2001 (en TJ) Primary energy 53 W/cap Solids 5.4 Energieeinsatz Utilisation totale Umwandlung Transformation Petroleum products 48 70g CO2/MJ Natural gas g CO2/MJ Nuclear 22.8 Hydro 15.7 Renewables 1 Source : OFEN statistics Energy conversion Endverbrauch Consommation finale (27,7) (19,8) (17,0) (33,9) 14 8 (1,6) Feste Brennstoffe Energy services 3881 W/cap Rohöl Erdölprodukte Gas Kernbrennstoffe Wasserkraft Übrige erneuerbare Energien Elektrizität Fernwärme Raffinerien Wasser- und Kernkraftwerke, diverse Erneuerbare Gaswerke Konventionellthermische Kraft-, Fernheiz- und Fernheizkraftwerke Inlandproduktion Import Export Lagerveränderungen Eigenverbrauch des Energiesektors, Übertragungs- und Verteilverluste Nicht energetischer Verbrauch Haushalte Dienstleistungen Verkehr Statistische Differenz inklusive Landwirtschaft Combustibiles solides Pétrole brut Produits pétroliers Gaz Combustibles nucléaires Energie hydraulique Autres énergies renouvelables Electricité Chaleur à distance Household 27,7 Industry 19.8 Raffineries Centrales hydrauliques et nucléaires, autres renouvelables Usines à gaz Centrales thermiques class., chauffage à distance, centrales chaleur-force Production indigène Importation Services 17.0 Exportation Variations des stocks Consommation propre du secteur énergétique, pertes de transport et de distribution Consommation non-énergétique Transport 33.9 Ménages Services Transport Différence statistique y compris l agriculture 8 Comparaison de tous les agents énergétiques de la production à la consommation

8 Fig. 5 Detailliertes Energieflussdiagramm der Schweiz 2001 (in TJ) Flux énergétique détaillé de la Suisse en 2001 (en TJ) Primary energy 53 W/cap Solids 5.4 Energieeinsatz Utilisation totale Umwandlung Transformation Petroleum products 48 70g CO2/MJ Natural gas g CO2/MJ Nuclear 22.8 Hydro 15.7 Renewables 1 Source : OFEN statistics Energy conversion in Electricity 22.1 out Endverbrauch Consommation finale (27,7) (19,8) (17,0) (33,9) 14 8 (1,6) Feste Brennstoffe Energy services 3881 W/cap Rohöl Erdölprodukte Gas Kernbrennstoffe Wasserkraft Übrige erneuerbare Energien Elektrizität Fernwärme Raffinerien Wasser- und Kernkraftwerke, diverse Erneuerbare Gaswerke Konventionellthermische Kraft-, Fernheiz- und Fernheizkraftwerke Inlandproduktion Import Export Lagerveränderungen Eigenverbrauch des Energiesektors, Übertragungs- und Verteilverluste Nicht energetischer Verbrauch Haushalte Dienstleistungen Verkehr Statistische Differenz inklusive Landwirtschaft Combustibiles solides Pétrole brut Produits pétroliers Gaz Combustibles nucléaires Energie hydraulique Autres énergies renouvelables Electricité Chaleur à distance Household 27,7 Industry 19.8 Raffineries Centrales hydrauliques et nucléaires, autres renouvelables Usines à gaz Centrales thermiques class., chauffage à distance, centrales chaleur-force Production indigène Importation Services 17.0 Exportation Variations des stocks Consommation propre du secteur énergétique, pertes de transport et de distribution Consommation non-énergétique Transport 33.9 Ménages Services Transport Différence statistique y compris l agriculture 8 Comparaison de tous les agents énergétiques de la production à la consommation

9 Fig. 5 Detailliertes Energieflussdiagramm der Schweiz 2001 (in TJ) Flux énergétique détaillé de la Suisse en 2001 (en TJ) Primary energy 53 W/cap Solids 5.4 Energieeinsatz Utilisation totale Umwandlung Transformation Petroleum products 48 70g CO2/MJ Natural gas g CO2/MJ Nuclear 22.8 Hydro 15.7 Renewables 1 Source : OFEN statistics Energy conversion Efficiency in Electricity 22.1 out Endverbrauch Consommation finale (27,7) (19,8) (17,0) (33,9) 14 8 (1,6) Feste Brennstoffe Energy services 3881 W/cap Rohöl Erdölprodukte Gas Kernbrennstoffe Wasserkraft Übrige erneuerbare Energien Elektrizität Fernwärme Raffinerien Wasser- und Kernkraftwerke, diverse Erneuerbare Gaswerke Konventionellthermische Kraft-, Fernheiz- und Fernheizkraftwerke Inlandproduktion Import Export Lagerveränderungen Eigenverbrauch des Energiesektors, Übertragungs- und Verteilverluste Nicht energetischer Verbrauch Haushalte Dienstleistungen Verkehr Statistische Differenz inklusive Landwirtschaft Combustibiles solides Pétrole brut Produits pétroliers Gaz Combustibles nucléaires Energie hydraulique Autres énergies renouvelables Electricité Chaleur à distance Household 27,7 Industry 19.8 Raffineries Centrales hydrauliques et nucléaires, autres renouvelables Usines à gaz Centrales thermiques class., chauffage à distance, centrales chaleur-force Production indigène Importation Services 17.0 Exportation Variations des stocks Consommation propre du secteur énergétique, pertes de transport et de distribution Consommation non-énergétique Transport 33.9 Ménages Services Transport Différence statistique y compris l agriculture 8 Comparaison de tous les agents énergétiques de la production à la consommation

10 Fig. 5 Detailliertes Energieflussdiagramm der Schweiz 2001 (in TJ) Flux énergétique détaillé de la Suisse en 2001 (en TJ) Primary energy 53 W/cap Solids 5.4 Energieeinsatz Utilisation totale Umwandlung Transformation Petroleum products 48 70g CO2/MJ Natural gas g CO2/MJ Nuclear 22.8 Hydro 15.7 Renewables 1 Source : OFEN statistics Energy conversion Efficiency in Electricity 22.1 out Endverbrauch Consommation finale (27,7) (19,8) (17,0) (33,9) 14 8 (1,6) Feste Brennstoffe Energy services 3881 W/cap Rohöl Erdölprodukte Gas Kernbrennstoffe Wasserkraft Übrige erneuerbare Energien Elektrizität Fernwärme Raffinerien Wasser- und Kernkraftwerke, diverse Erneuerbare Gaswerke Konventionellthermische Kraft-, Fernheiz- und Fernheizkraftwerke Inlandproduktion Import Export Lagerveränderungen Eigenverbrauch des Energiesektors, Übertragungs- und Verteilverluste Nicht energetischer Verbrauch Haushalte Dienstleistungen Verkehr Statistische Differenz inklusive Landwirtschaft Combustibiles solides Pétrole brut Produits pétroliers Gaz Combustibles nucléaires Energie hydraulique Autres énergies renouvelables Electricité Chaleur à distance Household 27,7 Industry 19.8 Raffineries Centrales hydrauliques et nucléaires, autres renouvelables Usines à gaz Centrales thermiques class., chauffage à distance, centrales chaleur-force Production indigène Importation Services 17.0 Exportation Variations des stocks Consommation propre du secteur énergétique, pertes de transport et de distribution Consommation non-énergétique Transport 33.9 Ménages Services Transport Différence statistique y compris l agriculture 8 Comparaison de tous les agents énergétiques de la production à la consommation

11 Holistic vision of a urban system Who is investing what, where, for which services to be produced when for which customer? Multi-resources -solar -waste -biomass -geothermy house fuel cell -fuels Heat pump with geothermal Multi-technologies Multi-services -heating -cooling -electricity -water -waste -transport Air -water heat pump Combined Cycle with fuel cell Multi-scale (network) -building -district -city -... AGS - Canton de Genève - CONCERTO Solar panels District Heat Pump Geothermal energy Gas engines ORC Multi-constraints -emission -noise -emissions -resources -infrastructure -politics

12 with CO2= 5.5 g Cogeneration CO2= g Energy saving = 30 CO emissions =- 60 (Mix EU + fuel substitution Mazout/GN) 2 Exergy efficiency = 39.5 Mix EU : 105 g/mje, eff= source enerdata/iea without

13 heat pump with CO2 = 10.5 g T=25 C Tamb=0 C CO2 = 10.8 g without Energy saving = 30 (EU mix) (Suisse mix) CO 2 emissions = 0 (EU mix) - ~100 (Suisse mix?) Exergy efficiency = 12 (EU mix) - 16 (Suisse mix)

14 Heat pump and cogeneration With Without Energy savings = 50 CO 2 emissions = -60 (Fuel substitution Mazout/GN)

15 Sheet6_2 100,00 Energy savings Hpmp + Cogen economies d'énergies PAC cogen,00 Economie d'énergie 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 big hpmp small Hpmp ,00 0, Température système de chauffe Elec Thermique : Chaudière.00 Température source froide 4 C

16 Cogénération : Energie renouvelable COMPOSANTS CO + H2 M Bois 466 kw kw C M 9 G M M kw Légende : 1. Réacteur 2. Chargement du bois 3. Evacuation des cendres 4. Ventilateur 5. Circuit de chauffage 6. Echangeur de chaleur 7. Colonnes de lavages 8. Filtrations 9. Moteur à gaz et génératrice 10. Catalyseur 11. Cyclone 12. Cuve de floculation 13. Décanteur 14. Aéro-refroidisseur MENAG MANAGEMENT SA XYLOWATT SA Direction: G. Lagier En Budron A Le Mont-sur-Lausanne Tél. +41 (0) RÉACTEUR DE GAZÉIFICATION Elément central permettant de transformer le bois en gaz, le réacteur (1) a été

17 Technology integration El. Efficiency > 60

18 Advanced systems : tri-generation Boiler Hybrid SOFC gas-turbine Compression cooling / Heat pump FC Compression cooling Absorption cooling Conventional solution Heating mode : MW LHV /MW th Cooling mode 1 : MW LHV /MW frg Advanced system Heating mode : MW LHV /MW th (38) Cooling mode : MW LHV /MW frg (33) 1 Mix efficiency : 42

19 Decentralised Energy conversion house fuel cell Heat pump with geothermal Air -water heat pump Combined Cycle with fuel cell Gas engines ORC Solar panels Geothermal energy District Heat Pump

20 Solar panels Decentralised Energy conversion Services : Heating + electricity + cooling + transport Ressources : Fossil fuels, biomass, renewables, waste Network : Electricity,Gas, Heat, Water, Information Technologies : Heat pumps CHP Combined cycles Storage System engineering : ESCO Network management Maintenance Sharing ressources/equipment Market opportunites Investments District Heat Pump Geothermal energy

21 From centralised electricity to decentralised integrated energy systems Integrated energy systems District heat Gas network Perspectives Certified electricity Renewables Micro-electrical networks Market : CO2 (Kyoto) - Retrofit Electricity Other networks information - H2 - chemicals - transport house fuel cell Heat pump with geothermal Air -water heat pump Combined Cycle with fuel cell Gas engines ORC Solar panels Geothermal energy District Heat Pump

22 District heating systems : peack shaving Journée type Janvier - Consommation chaleur normalisée Consommation journalière normalisés (kw/m2) 0.7 Ecretage de consommation Bureaux kw/10000 m Cumulés Cumulé Locatif Bureau 0.2 Locatifs h1 h2 h3 h4 h5 h6 h7 h8 h9 h10 h11 h12 h13 h14 h15 h16 h17 h18 h19 h20 h21 h22 h23 h24 Heure

23 Prix installé par kw électrique District heating : scale effect Rendement mécanique extrapolé (4) Investments 0.45 Efficiencies Prix installé [CHF/kwe] 4000 (3) (9) (2) 3000 (8) (7) (1) (6) 2000 y = 16137x (5) Petit immeuble Quartier Puissance électrique [kw] rendement mécanique [-] Base de donnée EXSYS Exemples 0.25Suisses Power (Base de donnée EXSYS) Petit immeuble Quartier Puissance mécanique [kw] lean, whitout prechamber, lean, without prechamber rich, atmospheric rich, supercharged lean, with prechamber Liebherr, lean, without pre Liebherr, lean, with precha Liebherr, rich, atmospheri Liebherr, rich, supercharg

24 Trigeneration system in a building Air SOFC HEX Heating Cooling Electricity Grid HEX Natural gas C 100 C HEX 200 C ACH C HEX HVAC Hot sto. (60- C) Cold sto. (7-12 C) Alliance for Global sustainability project : in collaboration with UT and MIT HP ECH

25 Market opportunity? (EEX) : 08/03/2005 Optimal management Storage Forecating Automation Information network & remote control Max : 189 /MWh PM : prix max 2003 : 1000 /MWh (source powernext.fr) Min : 29.3 /MWh

26 Optimal daily operation

27 Pareto curve for the system CO2-emissions [kg] 1.05E E E E E+05 A B -26 C -38 D SOFC η el AC2 AC1 RC HEX PAC Heat st. Cool. st. kw - kw kw kw kw kw m 3 m 3 Point A Point B Point C Point D Point E Cluster Point E (no cooling storage) Cluster Point F Cluster 3 Point F (no cooling storage) Point G Cluster Point G (no cooling storage) Cluster Cluster 6 Table 4: Size of the devices Cluster Cluster 8 Cluster E E E F Costs [mio- ] SOFC Grid CO2 Cost kwh/year kwh/year tons/year Mio-yen/year Point A Point B Point C G SOFC GRID A B C D E E0 F F0 GG0

28 From centralised electricity to decentralised integrated energy systems The system design and operation challenge Infrastructure? Synergies? Equipments? Sizes? Operation strategy? Economical risks? Who? house fuel cell Heat pump with geothermal Air -water heat pump Combined Cycle with fuel cell Gas engines ORC Solar panels Geothermal energy District Heat Pump

29 Decentralised production of energy services Multi-disciplinary projects Design methodology Energy conversion + storage Networks Integrating new technology developments R&D EPFL Renewable energy Planification Infrastructures safety of supply Optimal management Energy Service Companies (ESCO)