Slimme, duurzame en netvriendelijke gebouwen: optimale integratie in laagspanningsnetten

Om de stijgende CO2-uitstoot te beperken, heeft de EU een ongekende nadruk gelegd op de modernisering en duurzame ontwikkeling van de bouwsector. De meest recente EU-richtlijn schrijft voor dat alle nieuwe gebouwen bijna-energieneutraal (nZE) moeten zijn, d.w.z. een jaarlijks evenwicht tussen verbruik en hernieuwbare energieproductie ter plaatse. Om de winstgevendheid van duurzame investeringen te waarborgen, moeten gebouwen steeds slimmer worden en hun gedrag vanuit economisch perspectief optimaal sturen. Als integrale onderdelen van het zogenaamde slimme netwerk, moet hun duurzame ontwikkeling ook worden onderzocht door de lens van "optimale netwerkintegratie", om de zich ontwikkelende interactie tussen gebouw en netwerk te bestuderen. In dat licht is de allesomvattende entiteit waar de wetenschappelijke gemeenschap naar toe zou moeten werken het slim duurzaam bouwen (SSB). Met laagspanningsnetwerken (LV) die de overgrote meerderheid van gebouwen herbergen, vormen ze de perfecte uitvalsbasis om de bovenstaande problemen aan te pakken. De schaarste aan literatuur verhindert echter dat de gemeenschap een solide positionering heeft over hoe de gewenste grootschalige SSB-integratie het beste kan worden geïmplementeerd. De belangrijkste beperking is de bijna exclusieve focus op zowel de gebouw- als de netwerkkant. Het SSB-netwerkorganisme moet echter als geheel worden bekeken. Naast het verrijken van de state-of-the-art, is het belangrijkste doel van dit proefschrift om een holistische SSB-integratiebenadering voor slimme LV-netwerken voor te stellen die alle betrokken partijen ten goede komt.

Het belangrijkste doel van dit proefschrift is het onderzoeken van de optimale integratie van SSB's in slimme LV-netwerken, om zo hun aangeboren flexibiliteitspotentieel te maximaliseren. Binnen een kader dat wordt gedreven door samenwerking tussen DNB's en eindgebruikers, is het concept van "optimale integratie" gekoppeld aan de toewijzing van "bevoegdheid" en verantwoordelijkheden tussen betrokken partijen. Dit werk onderzoekt dus de voor- en nadelen van elke SSB-integratiebenadering en probeert te peilen welke het beste resultaat oplevert voor alle betrokken deelnemers. Hierop voortbouwend, gaat het vervolgens in op een fundamentele zorg: "hoe kunnen slimme LV-netwerken optimaal gebruikmaken van SSB's om operationele problemen te verminderen en zich te ontwikkelen tot superieure entiteiten ter ondersteuning van het bredere slimme distributiesysteem"?

Het eerste deel van het proefschrift richt zich op bottom-up (BU) integratie, waarbij gebouwoptimalisatie de drijvende kracht is, met de eindgebruiker in het epicentrum. Het onderzoekt verschillende op smart grids gebaseerde bouwarchetypen (slim, duurzaam, grid-vriendelijk) en verkent hun interactie met het grid in samenhang met de eigen doelstellingen van de eindgebruiker. Er worden nieuwe concepten en methodologieën ontwikkeld voor de onzekerheidsbewuste operationele planning en het realtime beheer van gebouwen, evenals voor de "eerlijkere" prijsstelling van hun flexibiliteitsdiensten. De nadruk wordt gelegd op de "owner-first"-mentaliteit, d.w.z. het idee dat eindgebruikers prioriteit moeten geven aan hun eigen doelstellingen bij het aanpassen aan de behoeften van het net.

Het tweede deel verschuift de focus naar top-down (TD) integratie, waarbij netwerkoptimalisatie de drijvende kracht is, met de DSO in het epicentrum. Met multi-period optimale powerflow (MP-OPF) formuleringen die de kern vormen, worden uitgebreide netwerk- en apparaatmodellen ontwikkeld in dienst van een grondige analyse van de verschillende flexibiliteitsopties, waarmee de maatstaf wordt gezet voor alle vergelijkingen. Er wordt een grote verscheidenheid aan verschillende technieken voorgesteld om schaalbaarheid aan te pakken, waaronder wiskundige benaderingen, technische vereenvoudigingen, heuristische algoritmen en lokale controlebenaderingen; zowel deterministische als onzekerheidsbewuste optimalisatie-instellingen worden onderzocht. Naast het onderzoeken van het flexibiliteitspotentieel van slimme LV-netwerken, wordt de nadruk gelegd op het identificeren van de omvang van de BU-TD "kloof" en op het evalueren van de noodzakelijke stappen om deze te overbruggen.

Ten slotte overbrugt het derde deel de kloof tussen klant en netwerk door een hybride integratiebenadering te ontwikkelen die de positieve kanten van de BU- en TD-integratiebenaderingen in evenwicht brengt met praktische niveaus van "autoriteit" en verantwoordelijkheid voor elke betrokken partij. Bijzondere nadruk wordt gelegd op het aanpakken van zeer praktische problemen, waaronder onzekerheid, schaalbaarheid/granulariteit, storingen of problemen in communicatie en gegevensbeschikbaarheid, "diversiteit" van eindgebruikers en het potentieel om op een georganiseerde manier ondersteunende diensten van een hoger niveau te leveren.

Dit proefschrift laat zien dat het bestaande samenwerkingsparadigma van DSO-eindgebruikers achterhaald raakt aangezien i) de behoeften van LV-netwerken voortdurend veranderen en ii) eindgebruikers steeds complexere entiteiten worden. Bij het stimuleren van de massale integratie van SSB's in slimme LV-netwerken, moet men de kwestie vanuit beide gezichtspunten onderzoeken en, om alle gewenste doelstellingen te dienen, realistische manieren definiëren om de conceptuele "kloof" te overbruggen. Een hybride benadering is een uitstekend compromis tussen BU- en TD-integratie en kan een breed scala aan praktische aspecten aanpakken, zoals onzekerheid, schaalbaarheidscommunicatie/gegevenskwesties, "diversiteit" van eindgebruikers en geavanceerde ondersteunende diensten. De meest waardevolle bijdrage van dit werk is misschien wel de verdere invoering van de term "slim duurzaam bouwen" in de wetenschappelijke discussie (veel beperkter gebruik bij het begin van gENESiS), en de juiste ondersteuning ervan door middel van geavanceerde methodologieën en numerieke resultaten. Dit is een grote verbetering ten opzichte van het bekendere "smart building"-concept, dat niet langer verenigbaar is met de Europese duurzaamheidsstrategie.