Slievabawnogue Housing:Two Dwellings in A Disused Quarry

This project involves the construction of a dwelling in the outskirts of Dublin City. Situated in a disused quarry, the house act as an inhabited bridge, spanning between natural and man made outcrops, service structures and a shared entrance staircase. The houses language derives from the structure necessary to achieve these spans.
The section internally is modeled to present a variety of scales of spaces. More intimate living spaces and bedrooms occur in a lower, north-facing wing. Taller living spaces address the south.

Incorporating rainwater harvesting, wood-gasifying boilers, on site wind powered electrical generation, solar thermal panels and very high levels of insulation the houses are close to energy neutral. The fact that the house is constructed in massive timber construction means that 250 tonnes of carbon are sequestered in its construction. The design includes a 25yar replanting strategy to replace the existing coniferous-forested surrounds with native species in a coppiced planting strategy to allow ongoing fuel for the house, and cash crops to be sold on.

Located in an area of outstanding natural beauty the planning and design of the house involved research into patterns of rural development, the relationship between man made interventions and the natural landscape and the technology of the vernacular. This latter research forms part of the themes being explored under the Kevin Kieran Arts Council / OPW Bursary

Aims / Objectives Questions

1 To design and construct a low energy place to dwell.
2 To investigate the relationship between man-made interventions and new construction in an area of outstanding natural beauty.
3 To derive a language of construction that is contemporary in nature but refers to precedents embedded in the vernacular.
4 To develop a low-carbon form of construction that allows the construction of the house to act to sequester carbon
5 To make a contemporary addition in sympathy with the qualities of the existing site

Managing Future offshore wind power variability in a European Supergrid

The future European power system will have a hierarchical structure created by layers of system control from a Supergrid via regional high-voltage transmission through to medium and low-voltage distribution. Each level will have generation sources such as large-scale offshore wind, wave, solar thermal, nuclear directly connected to this Supergrid and high levels of embedded generation, connected to the medium-voltage distribution system. It is expected that the fuel portfolio will be dominated by offshore wind in Northern Europe and PV in Southern Europe. The strategies required to manage the coordination of supply-side variability with demand-side variability will include large scale interconnection, demand side management, load aggregation and storage in the context of the Supergrid combined with the Smart Grid. The design challenge associated with this will not only include control topology, data acquisition, analysis and communications technologies, but also the selection of fuel portfolio at a macro level. This paper quantifies the amount of demand side management, storage and so-called 'back-up generation' needed to support an 80% renewable energy portfolio in Europe by 2050. © 2013 IEEE.

Managing the variability of supply in the European power system with high wind energy penetration

The power system of the future will have a hierarchical structure created by layers of system control from via regional high-voltage transmission through to medium and low-voltage distribution. Each level will have generation sources such as large-scale offshore wind, wave, solar thermal, nuclear directly connected to this Supergrid and high levels of embedded generation, connected to the medium-voltage distribution system. It is expected that the fuel portfolio will be dominated by offshore wind in Northern Europe and PV in Southern Europe. The strategies required to manage the coordination of supply-side variability with demand-side variability will include large scale interconnection, demand side management, load aggregation and storage in the concept of the Supergrid combined with the Smart Grid. The design challenge associated with this will not only include control topology, data acquisition, analysis and communications technologies, but also the selection of fuel portfolio at a macro level. This paper quantifies the amount of demand side management, storage and so-called ‘back-up generation’ needed to support an 80% renewable energy portfolio in Europe by 2050.

Optimatization of hybrid renewable energy systems on isolated microgrids : a smart grid approach

Tese de doutoramento, Sistemas Sustentáveis de Energia, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016

Detailed analysis of data from heat pumps installed via the Renewable Heat Premium Payment Scheme

The RHPP policy provided subsidies for private householders, Registered social landlords and communities to install renewable heat measures in residential properties. Eligible measures included air and ground-source heat pumps, biomass boilers and solar thermal. Around 18,000 heat pumps were installed via this scheme. DECC funded a detailed monitoring campaign, which covered 700 heat pumps (around 4% of the total). The aim of this monitoring campaign was to assess the efficiencies of the heat pumps and to estimate the carbon and bill savings and amount of renewable heat generated. Data was collected from 31/10/2013 to 31/03/2015. This report represents the analysis of this data and represents the most complete and reliable data in-situ residential heat pump performance in the UK to date.

Projeto de AVAC e classificação energética de uma cafetaria

Trabalho Final de mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil

Estudo comparativo de sistemas em aquecimento

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Implicações da nova legislação na certificação energética de edifícios existentes

O desenvolvimento deste trabalho teve como principal objetivo obter uma primeira avaliação da nova proposta de revisão do Regulamento das Características do Comportamento Térmico de Edifícios (RCCTE), relativamente à certificação energética de edifícios existentes. Inicialmente foi feito um estudo da regulamentação térmica de edifícios em Portugal relativamente ao desempenho energético de edifícios. De seguida abordou-se o caso de estudo, onde para uma fração autónoma existente se compara a aplicação do RCCTE com a nova proposta de revisão. Este estudo comparativo foi realizado através de um método detalhado e um outro simplificado, que no caso do RCCTE está relacionado com a Nota Técnica NT-SCE-01 para a certificação térmica de edifícios existentes. Após obtidos os resultados das necessidades energéticas para todas as metodologias, referidas no parágrafo anterior, foi elaborada uma proposta de melhoria e a respetiva análise económica, de acordo com o Fundo de Eficiência Energética, FEE. As medidas de melhoria preconizadas, de acordo com este fundo, foram a substituição das janelas existentes por janelas eficientes e a utilização de coletores solares térmicos para preparação de água quente sanitária, AQS. Por fim, é feita uma análise dos resultados obtidos relativos às necessidades energéticas da fração autónoma, antes e após da proposta de melhoria.

Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung, kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien

Sowohl die Ressourcenproblematik als auch die drohenden Ausmaße der Klimaänderung lassen einen Umstieg auf andere Energiequellen langfristig unausweichlich erscheinen und mittelfristig als dringend geboten. Unabhängig von der Frage, auf welchem Niveau sich der Energiebedarf stabilisieren lässt, bleibt dabei zu klären, welche Möglichkeiten sich aus technischer und wirtschaftlicher Sicht in Zukunft zur Deckung unseres Energiebedarfs anbieten. Eine aussichtsreiche Option besteht in der Nutzung regenerativer Energien in ihrer ganzen Vielfalt. Die Arbeit "Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung, kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien" konzentriert sich mit der Stromversorgung auf einen Teilaspekt der Energieversorgung, der zunehmend an Wichtigkeit gewinnt und als ein Schlüssel zur nachhaltigen Energieversorgung interpretiert werden kann. Die Stromversorgung ist heute weltweit für etwa die Hälfte des anthropogenen CO2-Ausstoßes verantwortlich. In dieser Arbeit wurden anhand verschiedener Szenarien Möglichkeiten einer weitgehend CO2–neutralen Stromversorgung für Europa und seine nähere Umgebung untersucht, wobei das Szenariogebiet etwa 1,1 Mrd. Einwohner und einen Stromverbrauch von knapp 4000 TWh/a umfasst. Dabei wurde untersucht, wie die Stromversorgung aufgebaut sein sollte, damit sie möglichst kostengünstig verwirklicht werden kann. Diese Frage wurde beispielsweise für Szenarien untersucht, in denen ausschließlich heute marktverfügbare Techniken berücksichtigt wurden. Auch der Einfluss der Nutzung einiger neuer Technologien, die bisher noch in Entwicklung sind, auf die optimale Gestaltung der Stromversorgung, wurde anhand einiger Beispiele untersucht. Die Konzeption der zukünftigen Stromversorgung sollte dabei nach Möglichkeit objektiven Kriterien gehorchen, die auch die Vergleichbarkeit verschiedener Versorgungsansätze gewährleisten. Dafür wurde ein Optimierungsansatz gewählt, mit dessen Hilfe sowohl bei der Konfiguration als auch beim rechnerischen Betrieb des Stromversorgungssystems weitgehend auf subjektive Entscheidungsprozesse verzichtet werden kann. Die Optimierung hatte zum Ziel, für die definierte möglichst realitätsnahe Versorgungsaufgabe den idealen Kraftwerks- und Leitungspark zu bestimmen, der eine kostenoptimale Stromversorgung gewährleistet. Als Erzeugungsoptionen werden dabei u.a. die Nutzung Regenerativer Energien durch Wasserkraftwerke, Windenergiekonverter, Fallwindkraftwerke, Biomassekraftwerke sowie solare und geothermische Kraftwerke berücksichtigt. Abhängig von den gewählten Randbedingungen ergaben sich dabei unterschiedliche Szenarien. Das Ziel der Arbeit war, mit Hilfe unterschiedlicher Szenarien eine breite Basis als Entscheidungsgrundlage für zukünftige politische Weichenstellungen zu schaffen. Die Szenarien zeigen Optionen für eine zukünftige Gestaltung der Stromversorgung auf, machen Auswirkungen verschiedener – auch politischer – Rahmenbedingungen deutlich und stellen so die geforderte Entscheidungsgrundlage bereit. Als Grundlage für die Erstellung der Szenarien mussten die verschiedenen Potentiale erneuerbarer Energien in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung ermittelt werden, mit denen es erstmals möglich war, die Fragen einer großräumigen regenerativen Stromversorgung ohne ungesicherte Annahmen anhand einer verlässlichen Datengrundlage anzugehen. Auch die Charakteristika der verschiedensten Energiewandlungs- und Transportsysteme mussten studiert werden und sind wie deren Kosten und die verschiedenen Potentiale in der vorliegenden Arbeit ausführlich diskutiert. Als Ausgangsszenario und Bezugspunkt dient ein konservatives Grundszenario. Hierbei handelt es sich um ein Szenario für eine Stromversorgung unter ausschließlicher Nutzung erneuerbarer Energien, die wiederum ausschließlich auf heute bereits entwickelte Technologien zurückgreift und dabei für alle Komponenten die heutigen Kosten zugrundelegt. Dieses Grundszenario ist dementsprechend auch als eine Art konservative Worst-Case-Abschätzung für unsere Zukunftsoptionen bei der regenerativen Stromversorgung zu verstehen. Als Ergebnis der Optimierung basiert die Stromversorgung beim Grundszenario zum größten Teil auf der Stromproduktion aus Windkraft. Biomasse und schon heute bestehende Wasserkraft übernehmen den überwiegenden Teil der Backup-Aufgaben innerhalb des – mit leistungsstarker HGÜ (Hochspannungs–Gleichstrom–Übertragung) verknüpften – Stromversorgungsgebiets. Die Stromgestehungskosten liegen mit 4,65 €ct / kWh sehr nahe am heute Üblichen. Sie liegen niedriger als die heutigen Preisen an der Strombörse. In allen Szenarien – außer relativ teuren, restriktiv ”dezentralen” unter Ausschluss großräumig länderübergreifenden Stromtransports – spielt der Stromtransport eine wichtige Rolle. Er wird genutzt, um Ausgleichseffekte bei der dargebotsabhängigen Stromproduktion aus erneuerbaren Quellen zu realisieren, gute kostengünstige Potentiale nutzbar zu machen und um die Speicherwasserkraft sowie die dezentral genutzte Biomasse mit ihrer Speicherfähigkeit für großräumige Backup-Aufgaben zu erschließen. Damit erweist sich der Stromtransport als einer der Schlüssel zu einer kostengünstigen Stromversorgung. Dies wiederum kann als Handlungsempfehlung bei politischen Weichenstellungen interpretiert werden, die demnach gezielt auf internationale Kooperation im Bereich der Nutzung erneuerbarer Energien setzen und insbesondere den großräumigen Stromtransport mit einbeziehen sollten. Die Szenarien stellen detaillierte und verlässliche Grundlagen für wichtige politische und technologische Zukunftsentscheidungen zur Verfügung. Sie zeigen, dass bei internationaler Kooperation selbst bei konservativen Annahmen eine rein regenerative Stromversorgung möglich ist, die wirtschaftlich ohne Probleme zu realisieren wäre und verweisen den Handlungsbedarf in den Bereich der Politik. Eine wesentliche Aufgabe der Politik läge darin, die internationale Kooperation zu organisieren und Instrumente für eine Umgestaltung der Stromversorgung zu entwickeln. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass nicht nur ein sinnvoller Weg zu einer CO2–neutralen Stromversorgung beschritten würde, sondern sich darüber hinaus ausgezeichnete Entwicklungsperspektiven für die ärmeren Nachbarstaaten der EU und Europas eröffnen.

Economics of Hybrid Photovoltaic Power Plants

The global power supply stability is faced to several severe and fundamental threats, in particular steadily increasing power demand, diminishing and degrading fossil and nuclear energy resources, very harmful greenhouse gas emissions, significant energy injustice and a structurally misbalanced ecological footprint. Photovoltaic (PV) power systems are analysed in various aspects focusing on economic and technical considerations of supplemental and substitutional power supply to the constraint conventional power system. To infer the most relevant system approach for PV power plants several solar resources available for PV systems are compared. By combining the different solar resources and respective economics, two major PV systems are identified to be very competitive in almost all regions in the world. The experience curve concept is used as a key technique for the development of scenario assumptions on economic projections for the decade of the 2010s. Main drivers for cost reductions in PV systems are learning and production growth rate, thus several relevant aspects are discussed such as research and development investments, technical PV market potential, different PV technologies and the energetic sustainability of PV. Three major market segments for PV systems are identified: off-grid PV solutions, decentralised small scale on-grid PV systems (several kWp) and large scale PV power plants (tens of MWp). Mainly by application of ‘grid-parity’ and ‘fuel-parity’ concepts per country, local market and conventional power plant basis, the global economic market potential for all major PV system segments is derived. PV power plant hybridization potential of all relevant power technologies and the global power plant structure are analyzed regarding technical, economical and geographical feasibility. Key success criteria for hybrid PV power plants are discussed and comprehensively analysed for all adequate power plant technologies, i.e. oil, gas and coal fired power plants, wind power, solar thermal power (STEG) and hydro power plants. For the 2010s, detailed global demand curves are derived for hybrid PV-Fossil power plants on a per power plant, per country and per fuel type basis. The fundamental technical and economic potentials for hybrid PV-STEG, hybrid PV-Wind and hybrid PV-Hydro power plants are considered. The global resource availability for PV and wind power plants is excellent, thus knowing the competitive or complementary characteristic of hybrid PV-Wind power plants on a local basis is identified as being of utmost relevance. The complementarity of hybrid PV-Wind power plants is confirmed. As a result of that almost no reduction of the global economic PV market potential need to be expected and more complex power system designs on basis of hybrid PV-Wind power plants are feasible. The final target of implementing renewable power technologies into the global power system is a nearly 100% renewable power supply. Besides balancing facilities, storage options are needed, in particular for seasonal power storage. Renewable power methane (RPM) offers respective options. A comprehensive global and local analysis is performed for analysing a hybrid PV-Wind-RPM combined cycle gas turbine power system. Such a power system design might be competitive and could offer solutions for nearly all current energy system constraints including the heating and transportation sector and even the chemical industry. Summing up, hybrid PV power plants become very attractive and PV power systems will very likely evolve together with wind power to the major and final source of energy for mankind.

Entwicklung und Anwendung einer Kraftwerks- und Speichereinsatzoptimierung für die Untersuchung von Energieversorgungsszenarien mit hohem Anteil erneuerbarer Energien in Deutschland

In dieser Arbeit wurde ein gemischt-ganzzahliges lineares Einsatzoptimierungsmodell für Kraftwerke und Speicher aufgebaut und für die Untersuchung der Energieversorgung Deutschlands im Jahre 2050 gemäß den Leitstudie-Szenarien 2050 A und 2050 C ([Nitsch und Andere, 2012]) verwendet, in denen erneuerbare Energien einen Anteil von über 85 % an der Stromerzeugung haben und die Wind- und Solarenergie starke Schwankungen der durch steuerbare Kraftwerke und Speicher zu deckenden residualen Stromnachfrage (Residuallast) verursachen. In Szenario 2050 A sind 67 TWh Wasserstoff, die elektrolytisch aus erneuerbarem Strom zu erzeugen sind, für den Verkehr vorgesehen. In Szenario 2050 C ist kein Wasserstoff für den Verkehr vorgesehen und die effizientere Elektromobilität hat einen Anteil von 100% am Individualverkehr. Daher wird weniger erneuerbarer Strom zur Erreichung desselben erneuerbaren Anteils im Verkehrssektor benötigt. Da desweiteren Elektrofahrzeuge Lastmanagementpotentiale bieten, weisen die Residuallasten der Szenarien eine unterschiedliche zeitliche Charakteristik und Jahressumme auf. Der Schwerpunkt der Betrachtung lag auf der Ermittlung der Auslastung und Fahrweise des in den Szenarien unterstellten ’Kraftwerks’-parks bestehend aus Kraftwerken zur reinen Stromerzeugung, Kraft-Wärme-Kopplungskraftwerken, die mit Wärmespeichern, elektrischen Heizstäben und Gas-Backupkesseln ausgestattet sind, Stromspeichern und Wärmepumpen, die durch Wärmespeicher zum Lastmanagment eingesetzt werden können. Der Fahrplan dieser Komponenten wurde auf minimale variable Gesamtkosten der Strom- und Wärmeerzeugung über einen Planungshorizont von jeweils vier Tagen hin optimiert. Das Optimierungsproblem wurde mit dem linearen Branch-and-Cut-Solver der software CPLEX gelöst. Mittels sogenannter rollierender Planung wurde durch Zusammensetzen der Planungsergebnisse für überlappende Planungsperioden der Kraftwerks- und Speichereinsatz für die kompletten Szenariojahre erhalten. Es wurde gezeigt, dass der KWK-Anteil an der Wärmelastdeckung gering ist. Dies wurde begründet durch die zeitliche Struktur der Stromresiduallast, die wärmeseitige Dimensionierung der Anlagen und die Tatsache, dass nur eine kurzfristige Speicherung von Wärme vorgesehen war. Die wärmeseitige Dimensionierung der KWK stellte eine Begrenzung des Deckungsanteils dar, da im Winter bei hoher Stromresiduallast nur wenig freie Leistung zur Beladung der Speicher zur Verfügung stand. In den Berechnungen für das Szenario 2050 A und C lag der mittlere Deckungsanteil der KWK an der Wärmenachfrage von ca. 100 TWh_th bei 40 bzw. 60 %, obwohl die Auslegung der KWK einen theoretischen Anteil von über 97 % an der Wärmelastdeckung erlaubt hätte, gäbe es die Beschränkungen durch die Stromseite nicht. Desweiteren wurde die CO2-Vermeidungswirkung der KWK-Wärmespeicher und des Lastmanagements mit Wärmepumpen untersucht. In Szenario 2050 A ergab sich keine signifikante CO2-Vermeidungswirkung der KWK-Wärmespeicher, in Szenario 2050 C hingegen ergab sich eine geringe aber signifikante CO2-Einsparung in Höhe von 1,6 % der Gesamtemissionen der Stromerzeugung und KWK-gebundenen Wärmeversorgung. Das Lastmanagement mit Wärmepumpen vermied Emissionen von 110 Tausend Tonnen CO2 (0,4 % der Gesamtemissionen) in Szenario A und 213 Tausend Tonnen in Szenario C (0,8 % der Gesamtemissionen). Es wurden darüber hinaus Betrachtungen zur Konkurrenz zwischen solarthermischer Nahwärme und KWK bei Einspeisung in dieselben Wärmenetze vorgenommen. Eine weitere Einschränkung der KWK-Erzeugung durch den Einspeisevorrang der Solarthermie wurde festgestellt. Ferner wurde eine untere Grenze von 6,5 bzw. 8,8 TWh_th für die in den Szenarien mindestens benötigte Wasserstoff-Speicherkapazität ermittelt. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, das technisch-ökonomische Potential von Langzeitwärmespeichern für eine bessere Integration von KWK ins System zu ermitteln bzw. generell nach geeigneteren Wärmesektorszenarien zu suchen, da deutlich wurde, dass für die öffentliche Wärmeversorgung die KWK in Kombination mit Kurzzeitwärmespeicherung, Gaskesseln und elektrischen Heizern keine sehr effektive CO2 -Reduktion in den Szenarien erreicht. Es sollte dabei z.B. untersucht werden, ob ein multivalentes System aus KWK, Wärmespeichern und Wärmepumpen eine ökonomisch darstellbare Alternative sein könnte und im Anschluss eine Betrachtung der optimalen Anteile von KWK, Wärmepumpen und Solarthermie im Wärmemarkt vorgenommen werden.

Estudi d’integració d’energia tèrmica i fotovoltaica a façana

L’objecte d’aquest projecte és realitzar un estudi d’un tipus instal·lacions molt específiques: l’energia solar fotovoltaica i l’energia solar tèrmica, destinada a la producció d’energia elèctrica i la producció d’ACS a un edifici plurifamiliar. Aplicar un cas concret a un edifici plurifamiliar, mitjançant d’integració dels panells fotovoltaics i tèrmics a la façana, i així, poder conformar la instal•lació d’energia solar tèrmica per la producció d’aigua calenta sanitària i la instal·lació d’energia solar fotovoltaica. Comprovar si es possible complir CTE, mitjançant l’ integració arquitectònica dels panells a façana. Determinar el cost que suposa d’integració arquitectònica d’aquest panells, mitjançant el pressupost de la proposta a portada . Comparar el cost de la proposta, amb una façana tradicional més els panells solars tèrmics que exigeix el codi tècnic. Extreure conclusions al comparar les tipologies de façana a nivell econòmic i de rendibilitat

Projecte d'una central d'energia elèctrica de 400 kW mitjançant concentradors solars i una turbina de vapor

L’objecte del projecte és dissenyar una central productora d’energia elèctrica a través d’una turbina de vapor i un generador acoblat a aquesta, mitjançant concentradors d’energia solar cilindro-parabòlics. Aquests concentradors captaran la radiació directa del sol per concentrar-la al focus de la paràbola, on s’hi col·locarà un receptor per l’interior del qual hi passarà un fluid que s’escalfarà gràcies a aquests raigs concentrats. En el projecte s’ha dissenyat la instal·lació i estudiat la radiació disponible a la zona, s’ha realitzat un estudi de la viabilitat de la instal·lació necessària i del cost econòmic d’una central d’energia termoelèctrica fictícia a la zona de Tarragona

Dynamic whole system testing of combined renewable heating systems : the current state of the art

Objective: For the evaluation of the energetic performance of combined renewable heating systems that supply space heat and domestic hot water for single family houses, dynamic behaviour, component interactions, and control of the system play a crucial role and should be included in test methods. Methods: New dynamic whole system test methods were developed based on “hardware in the loop” concepts. Three similar approaches are described and their differences are discussed. The methods were applied for testing solar thermal systems in combination with fossil fuel boilers (heating oil and natural gas), biomass boilers, and/or heat pumps. Results: All three methods were able to show the performance of combined heating systems under transient operating conditions. The methods often detected unexpected behaviour of the tested system that cannot be detected based on steady state performance tests that are usually applied to single components. Conclusion: Further work will be needed to harmonize the different test methods in order to reach comparable results between the different laboratories. Practice implications: A harmonized approach for whole system tests may lead to new test standards and improve the accuracy of performance prediction as well as reduce the need for field tests.

Projeto de controladores para a maximização de sistemas de captação de energia considerando excitação não ideal

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS