Optimization of Thermal Energy Storage and Demand Management Strategies in District Heating Networks

Abstract

The transition towards a low-carbon and sustainable energy economy requires in-novative solutions in heat supply systems, particularly in district heating networks. One of the key challenges of these networks is the mismatch between heat production and consumption during different seasons, often leading to high peak demands in winter and excess renewable energy in summer.

The aim of the bachelor’s thesis is to develop and optimize thermal energy storage (TES) and demand-side management (DSM) strategies for a district heating network in Horgen, Switzerland. The work is conducted as part of the Innosuisse Flagship GreenHub project, which focuses on systemic solutions for renewable energy integration, long-term seasonal storage, and intelligent energy control. By using simulation models, several scenarios are analysed to explore how TES and DSM can improve the flexibility and performance of the heating network. These include the current baseline scenario, a maximum renovation scenario, and a decision tree scenar-io based on renovations and energy class upgrades of targeted buildings.

A key component of the study involves the development of a renovation logic that improves the energy efficiency class of buildings based on their current consumption and building characteristics. This logic contributes to evaluating how building-level improvements impact the heat demand of the entire network.

The final aim is an optimized simulation framework that supports energy companies and policy-makers in designing smarter, more efficient district heating systems. The results can be used as a guide decision-making for investment strategies and local infrastructure improvements, with broader applicability to national energy planning of Switzerland.

Siirtyminen kohti vähäpäästöistä ja kestävää energiataloutta edellyttää innovatiivisia ratkaisuja lämmönjakelujärjestelmissä erityisesti kaukolämpöverkoissa. Yksi näiden kaukolämpöverkkojen suurimmista haasteista on lämmöntuotannon ja -kulutuksen kausittainen epätasapaino, mikä johtaa suuriin kulutushuippuihin talvella ja uusiutuvan energian ylijäämään kesällä.

Tässä opinnäytetyössä kehitetään ja optimoidaan lämpöenergian varastointi- (TES) ja kysynnänhallintastrategioita (DSM) Sveitsin Horgenin kaukolämpöverkossa. Työ toteutetaan osana Innosuisse GreenHub -hanketta, jonka tavoitteena on kehittää systeemisiä ratkaisuja uusiutuvan energian integroimiseksi, kausivarastoinnin toteuttamiseksi ja energian älykkääseen ohjaukseen. Simuloinnilla analysoidaan useita skenaarioita, kuten nykytilanne, energiantehokkuusskenaario ja päättelypuu-logiikka, jossa rakennusten energiakäyttäytymistä parannetaan kohdennetuilla toimenpiteillä.

Työssä kehitetään rakennusten energiatehokkuuden parantamiseen tähtäävä logiikka, joka huomioi kulutustason ja ominaisuudet. Tämä lähestymistapa auttaa arvioimaan, miten rakennuskohtaisen toimenpiteet vaikuttavat koko verkon lämmöntarpeeseen.

Työn lopputuloksena syntyy optimoitu simulointipohja, joka tukee energiayhtiöitä ja päätöksentekijöitä tehokkaampien kaukolämpöratkaisujen suunnittelussa. Tuloksia voidaan hyödyntää investointipäätösten ja energiapolitiikan tukena Sveitsissä.