Optimal Operation and Planning of Multi-Energy Microgrids with Hydrogen Carriers Integration

Abstract

In response to the global need to mitigate climate change and reduce greenhouse gas emissions, this thesis addresses the operation and planning of low-emission multi-energy microgrids with a particular focus on the role of hydrogen as a clean and flexible energy source. Unlike traditional systems reliant on fossil fuels, the proposed framework emphasizes the integration of hydrogen-based technologies to enhance sustainability, resilience, and cost efficiency. A modelling approach is developed for coupled electricity and gas distribution networks, in which gas flow and pressure constraints are explicitly considered alongside the operational requirements of the electricity distribution system in a microgrid. Aside from natural gas, hydrogen is examined as a dispatchable energy vector, with feasibility assessments of pipeline-based distribution and novel insights into the role of reversible solid oxide cells in providing flexibility and long-duration storage. The microgrid can integrate renewable generation, electrolyzers, fuel cells, battery storage systems, electric vehicles, and demand response mechanisms, thereby enabling sector coupling and cross-vector flexibility.

This thesis makes several key contributions: (i) an integrated modelling framework for multi-energy microgrids, (ii) resilience-oriented optimization strategies, (iii) novel treatment of hydrogen as a central dispatchable energy vector, (iv) advanced solution approaches for large-scale planning and operation optimization problems, (v) robust uncertainty modelling under renewable variability, and (vi) case studies that demonstrate the techno-economic and environmental value of microgrids. The results demonstrate that the proposed framework significantly reduces operational costs while improving system resilience compared to conventional single-energy systems. The findings also highlight the synergies between hydrogen integration, renewable energy utilization, and flexibility options, offering practical pathways for the transition to sustainable energy systems. The insights generated are highly relevant for policy-makers, regulators, and energy system planners, guiding the design of clean, reliable, and economically viable energy systems that support the global decarbonization agenda.

Tämä väitöskirja tarkastelee ilmastonmuutoksen hillintään ja kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseen liittyen nollapäästöisten monienergiamikroverkkojen käyttöä ja suunnittelua, korostaen erityisesti vedyn roolia puhtaana ja joustavana energialähteenä Toisin kuin fossiilisiin polttoaineisiin perustuvat järjestelmät, esitetty ratkaisu korostaa vetyteknologioiden integrointia resilienssin ja kustannustehokkuuden parantamiseksi. Väitöskirjassa kehitettiin mallinnusperiaate sähkö- ja kaasunjakeluverkkojen yhteiskäytölle, jossa kaasun virtaus- ja painerajoitteet huomioidaan yhdessä mikroverkon sähkönjakeluverkon vaatimusten kanssa. Maakaasun ohella tarkastellaan vedyn jakelua vetyputkiston kautta ja ehdotetaan uusia näkökulmia kierrätettävien kiinteäoksidikennojen käyttöön jouston ja pitkäaikaisen varastoinnin tarjoajina. Työssä tarkasteltu monienergiamikroverkko sisältää uusiutuvaa tuotantoa, elektrolyysereitä, polttokennoja, akkuvarastoja, sähköajoneuvoja ja kysyntäjousto­mekanismeja, mikä mahdollistaa sektoreiden välisen jouston hyödyntämisen.

Väitöskirjan keskeisiä kontribuutioita ovat (i) integroidun mallinnusmenetelmän kehittäminen monienergiamikroverkoille, (ii) resilientit optimointistrategiat, (iii) vedyn tarkastelu ohjattavana energiavektorina, (iv) edistyneet ratkaisut laajamittaisten suunnittelu- ja käyttöoptimointiongelmien ratkaisemiseksi, (v) epävarmuuden mallintaminen vaihtelevaa uusiutuvaa energiaa tarkasteltaessa sekä (vi) tapaustutkimukset, jotka osoittavat mikroverkkojen teknis-taloudellisen ja ympäristöllisen arvon. Tulokset osoittavat, että esitetty mallinnusmenetelmä vähentää merkittävästi käyttökustannuksia ja päästöjä sekä parantaa järjestelmän resilienssiä verrattuna perinteisiin yksienergiajärjestelmiin. Lisäksi löydökset korostavat vedyn integroinnin, uusiutuvan energian hyödyntämisen ja joustoratkaisujen synergioita, tarjoten käytännön polkuja kestävien energiajärjestelmien toteuttamiseen. Saatu tieto on merkityksellistä päätöksentekijöille, sääntelystä vastaaville viranomaisille ja energiasektorin suunnittelijoille tarjoten suuntaviivoja puhtaiden, luotettavien ja taloudellisesti kannattavien resilienttien monienergiajärjestelmien suunnitteluun, jotka tukevat globaalia hiilineutraaliustavoitetta.