Cost saving and CO2 emission reduction potential in German district heating network with demand response and peak power limiting

Abstract

Demand response and peak power limiting within buildings and district heating networks assist in stabilization of the heat production and energy consumption profile. At the same time, the peak power is reduced and therefore CO2 emission reductions are achieved, when the demand for costly peak power plants like heat-only boilers and gas turbines are less needed. Hence, the energy supplier benefits financially and with decreased CO2 emissions, and the building owner gains economic advantages. From both players perspective the benefits furthermore correlate to environmental improvements.

The main objective of this study is to apply and examine the effect of centralized demand response and peak power limiting within three building types in a district heating network, both from building owner and energy supplier point of view. The three building types consist of an apartment building, a cultural center, and an office building. The case study buildings are located in Germany, in the district heating network of Wilhelmsburg. These model buildings are simulated with IDA Indoor Climate and Energy simulation software, utilizing actual dynamic district heating price signal and local weather data. The rule-based demand response control algorithm and peak power limiting settings are implemented in the simulation software. The results concerning the energy supplier are interpreted in terms of total district heat produced, production price, and CO2 emissions. From the buildings point of view, the results consist of peak power demand, energy consumption, and costs. Additionally, the cost saving potentials when implementing peak power limiting are analyzed, while maintaining acceptable indoor thermal comfort.

This study demonstrates that implementing peak power limiting, in addition to demand response, in buildings is greatly beneficial from a building owners’ perspective. While maintaining acceptable indoor thermal comfort, the average yearly cost saving potential for the three building types is 9.8 %. The office building has the greatest relative annual saving potential of 12.2 %, and the cultural center and apartment building have saving potentials of 8.8 % and 8.5 %, respectively. Applying demand response is also of great interest for the energy supplier. Results of the three production combination scenarios implies that the annual total heat produced for the network reduce by an average of 3.8 %, the total production price increases by an average of 10.3 %, and CO2 emissions decrease with an average of 15.9 %.

Efterfrågeflexibilitet och toppeffektbegränsning inom byggnader och fjärrvärmenät bidrar till att stabilisera värmeproduktionen och energiförbrukningsprofilen. Samtidigt reduceras toppeffekten och därav minskar koldioxidutsläppen, när behovet av högkostnadskraftverk som oljebrännare och gasturbiner används mindre. Energileverantören gynnas därav ekonomiskt och bidrar till minskade koldioxidutsläpp och byggnadsägaren får ekonomiska fördelar. Förmånerna korrelerar dessutom med miljöförbättringar ur båda spelarnas perspektiv.

Huvudsakliga syftet med denna studie är att tillämpa och undersöka effekten av centraliserad efterfrågeflexibilitet och toppeffektbegränsning inom tre byggnadstyper i ett fjärrvärmenät, både ur byggnadsägarens och energileverantörens synvinkel. De tre byggnadstyperna består av ett bostadshus, en kulturbyggnad och en kontorsbyggnad. Byggnaderna i denna studie är belägna i Tyskland i fjärrvärmenätet i Wilhelmsburg. Dessa modellbyggnader simuleras med IDA Indoor Climate and Energy simuleringsprogramvara med användning av dynamisk fjärrvärmepris-signal och lokala väderdata. Den regelbaserade kontroll-algoritmen för efterfrågeflexibiliteten och toppeffektbegränsande inställningarna implementeras i simuleringsprogramvaran. Resultaten för energileverantören består av total producerad fjärrvärme, produktionspris och koldioxidutsläpp. Från byggnadens synvinkel består resultaten av effektbehov, energiförbrukning och kostnader. Dessutom analyseras kostnadsbesparingspotentialen vid implementering av toppeffektbegränsning medan acceptabel termisk inomhus komfort bevaras.

Denna studie demonstrerar att implementering av toppeffektbegränsning, utöver efterfrågeflexibilitet, i byggnader är mycket fördelaktigt ur byggnadsägarens perspektiv. Medan man bibehåller acceptabel termisk inomhus komfort, är den genomsnittliga årliga kostnadsbesparingspotentialen för de tre byggtyperna 9,8 %. Kontorsbyggnaden har den största relativa årliga besparingspotentialen på 12,2 %, och kulturbyggnaden och bostadshuset har en sparpotential på 8,8 % respektive 8,5 %. Att tillämpa efterfrågeflexibilitet är också av stort intresse för energileverantören. Resultaten för de tre produktionskombinations scenarierna innebär att den årliga totala producerade värmen minskar i genomsnitt med 3,8 %, det totala produktionspriset ökar i genomsnitt med 10,3 % och koldioxidutsläppen minskar i genomsnitt med 15,9 %.