Assessing local flexibility resources in a Zero Emission Neighbourhood with focus on space heat demand and battery storage

Abstract

Ved å utnytte energifleksibilitet i bygninger kan man realisere verdier som redusert energibruk, redusert topplast, økt selvforbruk, eller tilby fleksibilitetstjenester til distribusjonsnettet. Denne masteroppgaven undersøker energifleksibilitetspotensialet i et nabolag bestående av en skole, et sykehjem og en barnehage. Nabolaget Oksenøya bygges på Fornebu og eies av Bærum kommune. Oksenøyas energisystem består av et fjernvarmenett og et strømnett. Målet med oppgaven er å finne en driftsstrategi som reduserer energikostnadene for nabolaget ved å minimere topplasten på begge energinett. Oppgaven studerer også hvordan nabolaget kan brukes til å tilby flekibilitetstjenester til distribusjonsnettet.

Oksenøya er et ZEN-pilotprosjekt. Det blir derfor sett på som både tre individuelle bygninger og som en gruppe av bygninger, for å evaluere eventuelle fordeler ved å benytte individuell eller felles energimåling. De to energisystemene er undersøkt separat, så fleksibilitet muliggjøres ved romoppvarmingsfleksibilitet for fjernvarme og et stasjonært batteri for elektrisitet. Metoden som brukes er "hva-hvis" -analyser av en regelbasert modelleringsmetode. For å etablere et sammenligningsgrunnlag utføres energisimuleringer i bygningssimuleringsverktøyet IDA ICE. Forhåndsbestemte tidsplaner for romoppvarmingsfleksibilitet er deretter funnet ved prøving og feiling i IDA ICE, mens batterifleksibilitet er modellert i Excel.

Studien bruker en konvensjonell kontrollstrategi og klarer å redusere energikostnadene ved å implementere energifleksibilitet. Basert påresultatene er den anbefalte driftsstrategien felles energimåling for både strøm og fjernvarme, og kontroll av fleksible laster med sikte på å redusere den totale topplasten. Dette resulterer i en topplastreduksjon på henholdsvis 44.7% og 33.0% for fjernvarme og strøm, noe som gir en total kostnadsreduksjon på 16.1%. Studien er begrenset til scenariomodellering, noe som betyr at det virkelige potensialet for kostnadsbesparelse kan være høyere.

Studien fant også at det er mulig å flytte topplasten til et nabolag bort fra distribusjonsnettets topplasttimer. Oksenøya er et relativt lite nabolag, og er derfor ikke nok til å fjerne Fornebus topplast. Hvis man derimot øker fleksibilitetstiltakene til for eksempel distriktsnivå, kan det ha en faktisk innvirkning på distribusjonsnettets topplast. Resultatene av dette arbeidet har altså vist at energifleksibilitet kan implemeteres med en regelbasert kontrollstrategi som reduserer energikostnader og kan bidra til å unngå nettutvidelse.

Utilising energy flexibility in buildings can enable qualities such as reduced energy consumption, reduced peak loads, increased self-consumption, or provide flexibility services to the distribution grid. This thesis investigates the energy flexibility potential of a neighbourhood consisting of a school, a nursing home and a kindergarten. The neighbourhood, Oksenøya, is currently being built at Fornebu and is owned by the municipality of Bærum. Oksenøya is part of an energy system consisting of a district heating grid and an electricity grid. The aim is to obtain an operating strategy that reduces the energy costs for the neighbourhood by minimising the peak load on both energy grids. The thesis also studies how the neighbourhood can be utilised to provide flexibility services to the distribution grid.

Oksenøya is a ZEN pilot project. Therefore, it is studied both as three individual buildings and as a group of buildings to evaluate any advantages of operating with individual or common energy metering. The two energy systems have been investigated separately, enabling flexibility by using space heating flexibility for district heating and a stationary battery for electricity. The method used is "what-if" analyzes of a rule-based modeling approach. To establish the baseline, energy simulations are performed in the Building Performance Simulation (BPS) tool IDA ICE. The space heating flexibility schedules are then found by trial and error in IDA ICE, while the battery flexibility is modeled in Excel.

The study uses a conventional control strategy and manages to reduce energy costs by implementing energy flexibility measures. The recommended operational strategy from the results obtained is common energy metering, for both electricity and district heating, and control of flexible loads with the objective of reducing the total peak load. This results in a peak load reduction of 44.7% and 33.0% for district heating and electricity respectively, giving a total cost reduction of 16.1%. The study is limited to scenario modeling, which means that the real cost saving potential might be higher.

Furthermore, the study found that it is possible to shift a neighbourhoods peak load to the off-peak hours of the distribution grid. Oksenøya is a relatively small neighbourhood, and is therefore not sufficient to remove Fornebu's peak load. However, if flexibility measures are aggregated to a district level, it can have an actual impact on the distribution peak load. The results of this work have thus demonstrated that energy flexibility measures can be implemented with a rule-based control strategy that reduces energy costs and can help avoid grid expansion.