Thesis: Development of A Digital Twin for Smart Management Of Thermal Loads In Residential Microgrids With Peer-To-Peer Transactions
| datacite.subject.fos | Engineering and technology | |
| datacite.subject.fos | Engineering and technology::Mechanical engineering | |
| datacite.subject.fos | Engineering and technology::Electrical engineering, Electronic engineering, Information engineering | |
| datacite.subject.fos | Engineering and technology::Mechanical engineering::Thermodynamics | |
| datacite.subject.fos | Social sciences::Economics and Business | |
| dc.contributor.correferente | Abdelhamid, Mohamed | |
| dc.contributor.department | Departamento de Ingeniería Mecánica | |
| dc.contributor.guia | Barraza Vicencio, Rodrigo Sebastián | |
| dc.coverage.spatial | Campus Casa Central Valparaíso | |
| dc.creator | Salles Mardones, Javier Ignacio | |
| dc.date.accessioned | 2025-09-24T18:40:13Z | |
| dc.date.available | 2025-09-24T18:40:13Z | |
| dc.date.issued | 2024-07-21 | |
| dc.description.abstract | Public policies in Chile aim to improve energy efficiency and promote distributed energy resources (DERs) in residential communities; however, challenges persist with respect to solar power curtailment due to supply-demand mismatch and the need to inform the community about the energy performance of their buildings to incentivize residential energy efficiency projects. This work develops a digital twin (DT) in its design phase to evaluate the potential benefits of smart thermal load management in residential microgrids implementing peer-to-peer (P2P) markets. The developed DT considers smart management of air conditioning (AC) systems using overcooling and overheating techniques, and domestic hot water (DHW) tanks to promote self-consumption in the microgrid. Different scenarios are modeled, analyzed, and compared, applying the formulated smart thermal load management techniques in prosumers homes, both with and without a battery energy storage system (BESS), and consumers. The results show a synergistic effect between the implementation of P2P markets and the smart management of DHW tanks and AC systems operation, allowing for a reduction of up to 56.4% and 2.6% in the annual electricity bills of prosumers and consumers, respectively. Furthermore, at the residential microgrid level, community energy costs would be reduced by up to 11.5%, self-consumption ratio (SCR) and self-sufficiency ratio (SSR) would increase by up to 33.5% and 17.8%, respectively, and there would be a reduction in energy import from the utility grid (UG) during periods of high demand by up to 17.1%. This would result in better local utilization of surplus photovoltaic (PV), increased energy independence from the UG, load shifting from periods of high consumption to periods of high solar irradiation, and an improvement in the profitability of prosumers’ distributed generation projects. The results of the sensitivity analysis based on the sizing of the BESS, AC systems, and DHW tanks indicate that small sizing of the latter two has a positive impact on the bills of the RCs, while increasing the BESS capacity offers greater benefits than increasing the capacity of DHW tanks, under a fixed pricing scheme. Additionally, a geographical analysis was carried out to extend the evaluation to different geographical zones of the country, and the general trend indicates that the most influential variable in the benefits is the level of solar radiation, followed by the stringency of thermal insulation regulations, which allows for better performance in terms of energy efficiency of the AC system. The developed DT contributes to local public policies providing an evaluation tool for informed decision-making by the community. | en_US |
| dc.description.abstract | Las políticas públicas en Chile buscan mejorar la eficiencia energética y promover los recursos energéticos distribuidos (DERs) en comunidades residenciales; sin embargo, persisten desafíos relacionados con la limitación de la energía solar debido al desajuste entre oferta y demanda y la necesidad de informar a la comunidad sobre el desempeño energético de sus edificios para incentivar proyectos de eficiencia energética residencial. Este trabajo desarrolla un gemelo digital (DT) en su fase de diseño para evaluar los beneficios potenciales de la gestión inteligente de cargas térmicas en microrredes residenciales que implementan mercados peer-to-peer (P2P). El DT desarrollado considera la gestión inteligente de sistemas de aire acondicionado (AC) utilizando técnicas de sobreenfriamiento y sobrecalentamiento, y tanques de agua caliente sanitaria (ACS) para promover el autoconsumo en la microrred. Se modelaron, analizaron y compararon diferentes escenarios aplicando las técnicas formuladas de gestión inteligente de cargas térmicas en hogares prosumidores, con y sin sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS), y en consumidores. Los resultados muestran un efecto sinérgico entre la implementación de mercados P2P y la gestión inteligente de tanques de ACS y la operación de sistemas de AC, permitiendo una reducción de hasta un 56,4% y un 2,6% en las facturas anuales de electricidad de prosumidores y consumidores, respectivamente. Además, a nivel de la microrred residencial, los costos energéticos comunitarios se reducirían hasta en un 11,5%, la tasa de autoconsumo (SCR) y la tasa de autosuficiencia (SSR) aumentarían hasta en un 33,5% y un 17,8%, respectivamente, y habría una reducción de las importaciones de energía desde la red eléctrica (UG) durante periodos de alta demanda de hasta un 17,1%. Esto resultaría en un mejor aprovechamiento local del excedente fotovoltaico (PV), mayor independencia energética respecto de la UG, desplazamiento de cargas desde periodos de alto consumo hacia periodos de alta irradiación solar y una mejora en la rentabilidad de los proyectos de generación distribuida de los prosumidores. Los resultados del análisis de sensibilidad basado en la dimensionamiento del BESS, los sistemas de AC y los tanques de ACS indican que un dimensionamiento pequeño de estos dos últimos tiene un impacto positivo en las facturas de los RC, mientras que aumentar la capacidad del BESS ofrece mayores beneficios que incrementar la capacidad de los tanques de ACS, bajo un esquema de precios fijos. Adicionalmente, se realizó un análisis geográfico para extender la evaluación a diferentes zonas del país, y la tendencia general indica que la variable más influyente en los beneficios es el nivel de radiación solar, seguido por la rigurosidad de las normativas de aislamiento térmico, lo que permite un mejor desempeño en términos de eficiencia energética del sistema de AC. El DT desarrollado contribuye a las políticas públicas locales proporcionando una herramienta de evaluación para la toma de decisiones informada por parte de la comunidad. | es |
| dc.description.degree | Magíster en Ciencias de la Ingeniería Mecánica | |
| dc.driver | info:eu-repo/semantics/masterThesis | |
| dc.format.extent | 133 páginas. | |
| dc.identifier.doi | 10.71959/fg9p-5s50 | |
| dc.identifier.uri | https://cris.usm.cl/handle/123456789/4132 | |
| dc.identifier.uri | https://doi.org/10.71959/fg9p-5s50 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.publisher | Universidad Técnica Federico Santa María | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject | Peer-To-Peer Markets | |
| dc.subject | Photovoltaic Systems | |
| dc.subject | Battery Energy Storage Systems | |
| dc.subject | Domestic Hot Water | |
| dc.subject | Air Conditioning System | |
| dc.subject.ods | 7 Energía asequible y no contaminante | |
| dc.subject.ods | 11 Ciudades y comunidades sostenibles | |
| dc.subject.ods | 13 Acción por el clima | |
| dc.subject.ods | 9 Industria, innovación e infraestructura | |
| dc.subject.ods | 17 Alianzas para lograr los objetivos | |
| dc.title | Development of A Digital Twin for Smart Management Of Thermal Loads In Residential Microgrids With Peer-To-Peer Transactions | |
| dspace.entity.type | Tesis |
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