Dimensjonering av batteri for Powerhouse Brattørkaia og Brattørkaia Mikronett

Abstract

Denne oppgaven undersøker hvordan batterier tilknyttet et solcelleanlegg kan bidra til økt utnyttelse av fornybar kraftproduksjon. Solkraft er uforutsigbar og ikke-regulerbar, hvilket medfører et behov for lagring for å kunne utnytte solkraften optimalt i perioder med dårlig samspill mellom produksjon og last. Oppgaven har som mål å dimensjonere et batteri for Powerhouse Brattørkaia og Brattørkaia Mikronett og finne en batteristørrelse som bidrar til at prosjektene blir økonomisk lønnsomme.

I tillegg til å gi økt utnyttelse av fornybar kraftproduksjon kan batterier være en fleksibilitetsressurs i kraftsystemet ved å dempe maksimalbelastningen på nettet og balansere mellom forbruk og produksjon. De siste årene har det foregått en rask utvikling innen markedet for batteriteknologi. Økt etterspørsel og designforbedringer har ført til at investeringskostnaden for batterier har falt kraftig. I dag er litium-ion batteriet den batteriteknologien med størst markedsandel og vekst i verden, og det har egenskaper som gjør det velegnet for stasjonære formål.

For å optimalisere nytteverdien til et batteri er det essensielt at størrelsen på energilageret er tilpasset døgnvariasjoner i produksjon og last. Samspillet mellom solproduksjon og last er beskrevet ved bruk av tre ulike load matching indikatorer; self-sufficiency (fSS), self-consumption (fSC) og loss of load probabilty LOLPb. Utfordringen med å dimensjonere et batteri kun basert på load matching indikatorer er at det ikke tydeliggjør hvor godt batterikapaisteten utnyttes til enhver tid. For å finne en optimal størrelse på et energilager er det derfor nødvendig å studere døgnvariasjoner i last og forbruk i tillegg til bruk av load matching indikatorer. Et godt dimensjoneringskriterium er å se på last- og forbruksprofil for bygget eller området mellom soloppgang og solnedgang da det i dette tidsrommet er liten eller ingen solproduksjon. Ved å benytte verktøyene Powel Microgrid Design Tool og Excel utføres det ulike sensitivitet- og scenarioanalyser for å evaluere virkningen av økt batterikapasitet, og undersøke hvordan ulike usikkerhetsmomenter påvirker lønnsomheten til et batteriprosjekt på Powerhouse Brattørkaia og i Brattørkaia Mikronett. Det benyttes en enkel batterimodell som tar høyde for batteriets maksimale ladeeffekt, virkningsgrad og energikapasitet.

En investering i et batteri er ikke økonomisk lønnsomt i dag, hverken for Powerhouse Brattørkaia eller Brattørkaia Mikronett. Investeringskostnaden for stasjonære energilagringssystemer er for høy og den årlige besparelsen i energi- og nettleiekostnader er for lav til at batteriprosjektene blir økonomisk lønnsomme i løpet av batteriets levetid. Det er likevel flere tiltak som kan bidra til at nytteverdien til et batteri øker. Bruk av batteriet til \textit{peak shaving} applikasjoner er en effektiv måte å redusere nettleiekostnadene på, og det er spesielt gunstig å benytte batteriet til å redusere de høyeste lasttoppene i forbruket om vinteren når effektprisen er høy. Prognosestyring basert på spotpriser fra kraftbørsen Nord Pool kan benyttes for å optimalisere energiflyten i energilageret og bidra til at de høyeste kraftprisene unngås.

Til tross for at en investering i et batteri for Powerhouse Brattørkaia og Brattørkaia Mikronett ikke er økonomisk lønnsomt gir det bedre utnyttelse av den lokale kraftproduksjonen i bygget og i området. Det ble observert størst forbedring i utnyttelsen av solkraften i Brattørkaia Mikronett og på Powerhouse Brattørkaia opp til en batterikapasitet på 500 kWh. På Powerhouse Brattørkaia er lasten i bygget for lav til at all solkraften kan utnyttes fullt ut, og det er nødvendig å eksportere store mengder overskuddsproduksjon til nettet, selv med et stort energilager. Ved å etablere et lokalt kraftsystem på Brattøra øker den samlede lasten betraktelig. Det bidrar til bedre utnyttelse av solkraften sammenliknet med å se på Powerhouse Brattørkaia alene.

This thesis investigates how batteries in combination with a solar power system can increase the utilization of renewable power production. Solar power is intermittent and non-dispatchable, and there is a need for energy storage to be able to optimally utilize the solar power during periods when the matching between demand and supply is poor. The aim of the thesis is to size a battery for Powerhouse Brattørkaia and Brattørkaia Mikronett and to find a cost-optimal configuration of the battery system.

Batteries can, in addition to increasing the utilization of renewable power production, be a flexibility resource in the grid by relieving network stress and balancing between demand and supply. The last couple of years there has been rapid growth in the marked of battery technologies. An increase in demand for energy storage and a continuous improvement of the technological performance of batteries has led to a remarkable fall in the investment cost of batteries. The lithium-ion battery is today the battery technology with the largest market share and strongest growth in the world, and its superior battery properties makes it well suited for stationary energy storage applications.

Schematic load profiles and solar power generation profiles should be used in the sizing procedure to maximize the performance of the battery. The matching potential between demand and supply is expressed by three load matching indicators; self-sufficiency (fSS), self-consumption (fSC) and loss of load probabilty LOLPb. The challenge of sizing a battery only based on load matching indicators is that it does not show how well the battery capacity is utilized. It is therefore necessary to study the daily load and solar power generation profiles in addition to the load matching indicators in the sizing procedure. An appropriate sizing criterion is between sunset and sunrise as the solar power production is zero or close to zero during these hours. Different sensitivity and scenario analyses are performed to evaluate the impact of increased battery capacity and various uncertainties on the financial profitability of a battery project at Powerhouse Brattørkaia and Brattørkaia Mikronett. The analyses are conducted by use of Excel and Powel Microgrid Design Tool. A simple battery model is used, which considers the battery efficiency, power capacity and maximum charge and discharge capacity.

An investment in a battery for Powerhouse Brattørkaia and Brattørkaia Mikronett is not financially profitable today due to a high investment cost of stationary energy storage systems and low annual energy savings. Even though the projects can’t be financially profitable, there are several actions that can be taken to increase the utility function of the battery. Batteries can for instance be used for peak shaving applications to reduce the peak demand, which gives cost savings. The capacity-based power tariffs are especially high during the winter and it will then be particularly beneficial to reduce the peak demand. With predictive control it is possible to implement forecasts of the energy prices from Nord Pool to indicate when it is economically beneficial to import energy from the grid.

Even though a battery investment is non-beneficial it increases the utilization of the on-site power generation at Powerhouse Brattørkaia and Brattørkaia Mikronett. The largest improvements in self-sufficiency and self-consumption were observed up to a battery capacity of 500 kWh. At Powerhouse Brattørkaia the load is too low to optimally utilize the solar power, and it is therefore necessary to export energy to the grid even with a large battery. The load increases by establishing a microgrid at Brattøra, which results in a better utilization of the solar power compared to just looking at Powerhouse Brattørkaia.