Optimal Control of Batteries and Hot Water Heaters for Energy Flexibility in Zero Emission Neighbourhoods

Abstract

Denne masteroppgaven har undersøkt energifleksibiliteten i et nullutslippsnabolag. Campus Evenstad, som er et pilotprosjekt i forskningssenteret for nullutslippsnabolag, har blitt brukt som eksempelstudie. Ved hjelp av en optimeringsmodell har potensialet for effekttoppreduksjon, redusert karbonfotavtrykk og økt selvkonsum blitt undersøkt gjennom smart styring av et 120kW/204kWh stasjonærbatteri og varmtvannstanker. Modellen ble utviklet i Python. Nabolaget ble gitt et 433 kWp solcelleanlegg simulert i PVSyst og elektrisitetsforbruket ble simulert i SIMIEN. Tappeprofilene for varmtvann ble hentet fra SN/TS 3031. Effekttariffene anbefalt av NVE, time of use og abonnert effekt, har blitt brukt som input i modellen. Med målfunksjon om å redusere elektrisitetsregningen til nabolaget, undersøker modellen hvilken tariff som fungerer best til å redusere effekttopper og øke selvkonsumet. I et tredje scenaria blir CO2-intensiteten i det norske elektrisitetsnettet brukt som input. Modellen minimerer karbonfotavtrykket relatert til elektrisitetsforbruket til nabolaget for å se hvor mye av utslippene som kan reduseres ved hjelp av energifleksibilitet i batteriet og varmtvannstanken. De tre scenariene er sammenlignet med et «baseline scenaria» uten fleksibilitet.

Effekttariffen abonnert effekt fungerer best til å redusere effekttoppene i nabolaget, da det høyeste forbruket er redusert med 10 % i forhold til baseline scenaria. Likevel, hadde tariffen vært designet slik at den øker prisen for hver kWh/h som forbrukes over effektterskelen, kunne tariffen hatt potensial til å redusere effekttoppene i nabolaget betraktelig. Det anbefales å undersøke en kvadratisk økning i prisen for effekt over effektterskelen. Varmtvannstanken fungerer best når det gjelder å redusere effekttopper, da den unngår aktivering av varmeelementet i høylasttimer. Dette resulterer i en reduksjon på mellom 30 – 70 kW for de seks timene med høyest forbruk i baseline scenaria. Batteriet opererer mest for å holde forbruket under effektterskelen. Time of use tariffen fungerer ikke til å redusere effekttopper, da det største forbruket er rundt 6 % høyere sammenlignet med baseline scenaria. Grunnen er den store prisforskjellen mellom natt og dag om vinteren, og nabolaget velger å forbruke mer energi og effekt utenfor de definerte høylasttimene i tariffen. Begge tariffene øker CO2-utslippene for nabolaget. Modellen velger å forbruke mer om natten da prisen er lav, noe som resulterer i økte utslipp da CO2-intensiteten er høyere om natten. Time of use tariffen øker utslippene mest da den er designet slik at prisen om vinteren er svært lav om natten sammenlignet med dagen. Kostnaden for sparte utslipp er beregnet til å være omkring 41 000 NOK/tonnCO2.

Når det gjelder selvkonsum fungerer begge tariffene like godt. Eksporten er redusert fra 77 540 kWh til om lag 30 300 kWh for begge tariffene. Varmtvannstanken er den beste lagringsteknologien når det kommer til økt selvkonsum, da den står for om lag 57 % av den reduserte eksporten fra nabolaget for begge tariffene. Større lagringskapasitet for varmtvann kan være lønnsomt for kostnadsbesparelser i nabolaget. Varmtvannstanken er også billigere enn batteriet, og ser man kun på kostnadsbesparelser er batteriet overdimensjonert. Denne analysen viser at det er varmtvannstanken som er mest verdifull i et nullutslippsnabolag hvis hensikten er å redusere effekttopper, øke selvkonsum og redusere CO2-utslipp.

This thesis has studied the energy flexibility in a Zero Emission Neighbourhood (ZEN). Campus Evenstad, which is a pilot project in the ZEN research centre has been used as case study. The potential to reduce peak loads and increase self-consumption have been investigated through smart control of a 120kW/204kWh stationary battery and electric hot water heaters using an optimization model. The model was developed in Python. The neighbourhood was given a 433 kWp solar PV system simulated in PVSyst and the electricity consumption profiles were generated with the simulation software SIMIEN. The hot water consumption profiles were taken from the standard SN/TS 3031. The grid tariffs suggested by NVE, time of use and subscribed power, have been used as input to the model to see which of the grid tariffs works best in reducing the peak loads and increasing the self-consumption, with the objective of minimizing the electricity bill. In a third scenario, the CO2 intensity in the electricity grid has been used as input. In this scenario the model minimizes CO2 emissions related to the electricity consumption to see how much the battery and the hot water heaters can reduce the carbon footprint in the ZEN. The three scenarios are compared to a baseline scenario with no flexibility.

The grid tariff subscribed power works best in reducing the peak load in the neighbourhood, as the maximum consumption is reduced by 10 % compared to the baseline scenario. However, if the tariff increases the price per kWh/h when consuming power above the power threshold, the grid tariff could have the potential to reduce the peak load substantially. It is suggested to investigate a quadratic increase in the power price above the threshold. The hot water heater works best in reducing the peak load, as it does not activate during the peak hours resulting in a reduction of between 30 – 70 kW for the six hours with highest consumption in the baseline scenario. The battery is mostly operating to reduce the consumption so that the neighbourhood stays below the power threshold. The time of use tariff does not work in reducing the peak load, as the maximum consumption is 6 % higher than in the baseline scenario. This is due to the big price difference during the winter, as the neighbourhood consumes more power outside the peak hours to reduce costs. Both the grid tariffs increase the carbon footprint in the neighbourhood. The model decides to consume more electricity during the night since the price is lower, however, the CO2 intensity in the electricity grid is higher. The time of use tariff increases the carbon footprint the most, which is also due to the price difference in the winter, resulting in even more consumption during the night. The cost of the reduced CO2 emissions was found to be around 41 000 NOK/tonneCO2eq.

When it comes to self-consumption, both the tariffs work just as well as the other. The export is reduced from 77 540 kWh to around 30 300 kWh for both the grid tariffs. The hot water heater works best in terms of self-consumption as it stands for around 57 % of the reduced export in both the tariffs. More hot water storage capacity can be profitable for reduced costs in the neighbourhood.

The hot water heater is also less expensive than the battery, and the battery is oversized when only considering cost savings. This analysis shows that if the purpose is to reduce peak loads, increase the self-consumption and reduce the CO2 emissions in a ZEN, the hot water heater is the most valuable resource.