Optimization of Microgrids Feasibility Study and Economic Analysis of Rye Microgrid

Abstract

Mikronett har potensialet til å bli en fremtidlig løsning for å forsyne avsidesliggende steder med energi. TrønderEnergi undersøker denne forretningsmuligheten som en del av REMOTE prosjektet på Froan, en gruppe øyer på kysten av Trøndelag. Mikronettet som er tiltenkt på Froan blir testen i et pilot projekt på Rye, 12 km vest for Trondheim. Målet med pilot prosjektet er økt erfaring og senere utvide prosjektet for å garantere energi levering til avsidesliggende steder.

Rye Mikronett består av energiproduksjon fra en vindturbin og et PV-system, samt energilagring i form av et batteri og en hydrogenenhet. Målet er at mikronettet skal være 95\% selvforsynt, mens de resterende 5\% blir tilført fra nettet. Mikronettet på Rye blir evaluert ved hjelp av fem caser, som består av ulike sammensetninger av komponentene i Rye Mikronett. Dette er gjort for å belyse perspektivet fra forbruker- og nettselskap når det det kommer til gjennomførbarhet. Casene er simulert i en Simulink-modell, basert på en kombinasjon av måledata og simulert data. Utregninger er gjort i MATLAB og Microsoft Excel.

Resultatene som omhandler leveringssikkerhet, økonomisk aspekt og miljø innvirkning presenteres og diskuteres, før de blir knyttet sammen fra et forbruker- og nettselskap perspektiv. Forbrukeren eier vindturbinen og dermed kan forbrukeren investere i enten PV-systemet eller batteriet. Kombinasjonen av vindturbin og PV-system har høyere årlig fortjeneste og investeringen i PV-systemet fører til en fortjeneste på 663,4 kNOK på slutten av PV-systemets levetid. De positive egenskapene fra batteriet blir oppveiet av de høye investeringskostnadene. Derfor er den mest optimale investeringen for forbrukeren PV-systemet.

Fra nettselskap-perspektivet, er det observert at 94,3\% av energiforbruket er dekket av egen produksjon i løpet av et år. For å nå målet om å være 95\% selvforsynt, ble det utført tester med å øke den årlige vind- og solproduksjonen, samt kapasiteten til batteriet og hydrogenenheten. Det kan bli konkludert at ved å øke produksjonen fra solenergi, fører det til en større økning i prosent selvforsynt enn hvis man øker vindproduksjonen like mye. Hydrogenenheten forsyner 10,9\% av energibehovet, og fører til at mikronettet opererer 94,3\% selvforsynt. Batterikapasiteten måtte ha blitt økt med en faktor på 5.3 for å gi samme prosent selvforsyning.

Alle casene er lønnsomme i ulik grad på årlig basis, sett bort i fra vedlikeholdskostnader. Derfor blir største økonomiske forskjellene ble synliggjort i vurdering av netto nåverdi. De to hovedobservasjonene var at produksjon fra solenergi førte til en økt nåverdi på årlig basis, og at casene som inkluderte energilagring var betydelig lavere, og minket på årlig basis. En mikronettløsning har reduserte karbonutslipp i forhold til det europeiske energimarkedet. I tillegg er andelen fornybar energi i Rye Mikronett tilsvarende som andelen i det norske kraftnettet.

Microgrids have the potential to be the future solution for remote area energy supply. TrønderEnergi is exploring this business possibility as a part of the REMOTE project at Froan, a group of islands by the coast of Trøndelag in Norway. The microgrid intended at Froan is tested in a pilot project at Rye, 12 km west of the city of Trondheim. The main goal of the pilot project is to gain experience and later expand the project to guarantee energy deliverance to remote areas.

Rye Microgrid consist of energy production from a wind turbine and a PV system as well as energy storage in a battery and hydrogen unit. The goal of the microgrid is to supply enough energy to cover 95\% of the energy consumed at the site, while the remaining 5\% is supplied by the utility grid. The microgrid at Rye is evaluated by five cases consisting of different components. This was to highlight the consumer- and grid company perspective on the feasibility of the microgrid. The cases were simulated in a Simulink model of Rye Microgrid, based on a combination of measured- and simulated data. The calculations were done in MATLAB and Microsoft Excel.

The results concerning the security of supply, the economic aspect and the environmental aspect of the case are presented and discussed, and tied together from a consumer- and grid company perspective. As the consumer owns the wind turbine, the options are to either invest in the PV system or the battery. The combination of the wind turbine and PV system has a high yearly profitability and an investment in the PV system leads to a profit of 663.4 kNOK at the end of the PV system lifetime. The positive attributes from the battery is outweighed by the high investment costs. Therefore the optimal investment for the consumer is the PV system.

From a grid company perspective, it can be observed that Rye Microgrid cover 94.3\% of the energy consumption. In order to achieve the goal of 95\%, adjustments were made separately to the wind- and solar energy production as well as the battery and hydrogen storage capacities. It can be concluded that increasing the solar energy production leads to a higher self supply percentage than increasing the wind energy production with the same amount. The hydrogen energy storage system supplies 10.9\% of the energy demand, leading to the microgrid operating 94.3\% self supplied. The battery capacity would have to be increased by 5.3 times in order to provide an equal self supply percentage.

All the cases are profitable during a year in a varying degree, however, the greatest economic differences were visible in the NPV evaluation. The two main observations were that solar energy production contribute to an increasing NPV on a yearly basis. The cases including energy storage were significantly lower, and decreased on yearly basis. The microgrid solution reduces the carbon emissions compared to the Norwegian- and European market. In addition, the renewable energy share at Rye Microgrid is equivalent to renewable energy share of the Norwegian grid.