Demand side flexibility for solar and wind power integration

Abstract

A major increase in the use of solar and wind energy in electricity production is envisioned to limit CO2 emissions, along with other low-carbon energy sources, as well as energy efficiency and electrification of heating, cooling, and transportation. This requires increasing flexibility in power systems, warranting the searching for enhanced flexibility in all possible sources. Wind energy has already lowered electricity market prices, calling for flexibility in the short term. This dissertation investigates the technical and economic potential of demand side flexibility for managing the variability of solar and wind production. To this end, three new mathematical models capable of optimal control are presented. The first model considers a heat pump with thermal storage, batteries, and shiftable appliances in a building with photovoltaics (PV); the second looks at power-to-heat conversion with thermal storage in district heating and shiftable loads in a city with PV and wind; and the third model focuses on space heating with heat pumps and electric vehicles in houses with PV. A case study with the first model on a Finnish low-energy house showed a 13-25 % cost decrease and an 8-88 % grid feed-in decrease with cost-optimal control and hourly spot market-based pricing, compared to inflexible reference control with a constant price for bought electricity. The exact values depend on the PV capacity and chosen flexibility sources. Limiting grid feed-in to zero decreased the energy efficiency of the control. The heat pump with storage and batteries provided more flexibility than shiftable appliances. Helsinki, Finland was studied with the second model. For a VRE scheme providing circa 50 % of the electricity consumption of the city through self-consumption, power-to-heat with thermal storage could absorb all the surplus VRE production. Shiftable loads significantly reduced the net load magnitude. Cost-optimally controlled power-to-heat with heat pumps and thermal storage as well as load shifting with electric heating and commercial refrigeration were found to be profitable investments. Between 1 and 10 Swedish net zero energy houses were investigated with the third model, resulting in 8-33% annual electricity cost savings per household with various system configurations, along with significant increases in PV self-consumption. The cost of additional battery degradation significantly decreases the added value of bi-directional vehicle-to-grid compared to flexible smart charging only. The thesis shows that power-to-heat in district heating, distributed electric heating, commercial refrigeration, batteries, and electric vehicles are effective demand side flexibility sources. They should be considered for flexibility provision in power systems with solar and wind production.

Aurinko- ja tuulisähkön huomattavaa lisäämistä suunnitellaan hiilidioksidipäästöjen rajoittamiseksi energiatehokkuuden, muun vähäpäästöisen energiantuotannon sekä lämmityksen, jäähdytyksen ja liikenteen sähköistämisen lisäksi. Tämä vaatii lisää joustavuutta sähköverkkoihin. Tuulivoima on jo laskenut sähkön markkinahintaa merkittävästi, mikä tekee eri joustolähteiden tutkimisen ajankohtaiseksi. Tässä väitöskirjassa tutkitaan sähkön kysyntäjouston teknistä ja taloudellista potentiaalia aurinko- ja tuulisähkön tuotannon vaihteluihin mukautumisessa kolmella uudella optimaalisen ohjauksen laskevalla matemaattisella mallilla. Ensimmäinen mallintaa lämpöpumpun ja lämpövaraston, akut ja joustavat sähkölaitteet rakennuksessa, jossa on aurinkosähköä. Toinen keskittyy sähkön muuntamiseen lämmöksi kaukolämmössä lämpövarastojen kanssa ja joustaviin sähkönkulutuksiin kaupungissa, jossa on aurinkosähköä ja tuulivoimaa. Kolmas mallintaa lämpöpumppulämmityksen ja sähköautot taloissa, joissa on aurinkosähköä. Ensimmäisellä mallilla tutkittiin suomalaista matalaenergiataloa. Kustannusoptimaalinen ohjaus sähkön markkinahintapohjaisella tuntihinnoittelulla tuotti 13-25 % kustannussäästöä verrattuna joustamattomaan ohjaukseen vakiohintaisella ostosähköllä. Sähkön syöttö verkkoon väheni myös 8-88 %. Tarkat arvot riippuvat aurinkosähkön mitoituksesta ja valituista joustolähteistä. Sähkön verkkoon syötön estäminen laski ohjauksen energiatehokkuutta. Lämpöpumppu ja lämpövarasto sekä akut tarjosivat enemmän joustoa kuin joustavat sähkölaitteet. Toisella mallilla tutkittiin Helsinkiä. Kun aurinko- ja tuulisähkö oli mitoitettu tuottamaan noin 50 % kaupungin sähköntarpeesta paikallisen kulutuksen kautta, sähköinen kaukolämmön tuotanto lämpövarastoilla pystyi ottamaan vastaan kaiken ylijäämäsähkön. Joustavat sähkökuormat pystyivät pienentämään sähkön nettokuormaa merkittävästi. Sähköinen kaukolämpö lämpöpumpuilla ja lämpövarastoilla sekä joustaminen sähkölämmityksellä ja kaupallisella jäähdytyksellä havaittiin kannattaviksi investoinneiksi. Kolmatta mallia sovellettiin 1-10 ruotsalaisen nettonollaenergiatalon tutkimiseen. Kustannusoptimaalinen ohjaus tuotti 8-33% säästöä taloa kohti eri tapauksissa ja lisäsi aurinkosähkön omaa kulutusta huomattavasti. Akkujen lisääntynyt kuluminen laski huomattavasti sähköautojen verkkoon purkamisen lisäarvoa verrattuna pelkkään joustavaan lataamiseen.Tutkimus osoittaa, että sähköinen kaukolämmön tuotanto, hajautettu sähkölämmitys, kaupallinen jäähdytys, akut ja sähköautot ovat vaikuttavia kysyntäjouston lähteitä. Niiden käyttöä tulisi harkita sähköverkkojen joustojen lisäämiseksi aurinko- ja tuulisähkön tuotannon osuuden kasvaessa.