Heating demand response in detached houses - comparing cost savings potential for consumers and the whole energy system
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2023-05-15
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Systems and Markets
Mcode
ELEC3048
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Language
en
Pages
52 + 13
Series
Abstract
This thesis assessed the cost savings potential of load shifting demand response (DR) in the Finnish detached house building stock with direct electric heating. To model the interaction between buildings and the energy system, an archetype building model capable of simulating heating demand was integrated with a North European energy system model. Interior air and domestic hot water temperatures were allowed to vary within preset bounds so the buildings could shift electricity use towards economically beneficial hours. The annual operational costs of the integrated model were then minimised for two weather-years, the relatively cold 2012 and warm 2015, with the GAMS-based Backbone optimisation framework. Flexible buildings were modelled either with a grid-interactive or self-optimising consumption profile: the former interacted with the energy system to minimise total system costs, while the latter minimised only local heating/cooling costs based on fixed hourly electricity prices. Grid-interactive DR provided system-level savings up to €50 million per year in total or €180 per flexible building. In contrast, large self-optimising DR penetration increased system costs and caused capacity shortages. The economic impacts were highly dependent on weather year: while 2015 exhibited frequent flexibility events and system benefits were gained with low penetration, in 2012 flexibility events were more infrequent and benefits unclear with penetration below 90\%. In both years, most of the savings came from reduced natural gas use in energy production. Both grid-interactive and self-optimising DR lowered heating and cooling costs relative to non-flexible buildings. As grid-interactive DR penetration increased, non-flexible buildings gained cost savings. Simultaneously, flexible buildings lost some of their relative benefit. For both years, increasing grid-interactive DR reduced the cost gap between flexible and non-flexible buildings. The economic conflicts of interest between self-optimising and grid-interactive buildings were very small. Further research is needed to assess how the electricity markets could better respond to self-optimising DR and prevent excess load shifting to inexpensive hours.Tämä diplomityö tutki lämmityksen kysyntäjouston kustannussäästöpotentiaalia Suomen pientalorakennuskannassa. Energiajärjestelmän ja talojen välisen vuorovaikutuksen kuvaamiseksi lämmityskysyntää ajan yli simuloiva arkkityyppitalomalli yhdistettiin Pohjois-Eurooppalaiseen energiajärjestelmämalliin. Rakennusten sisäilmalle ja lämpimälle käyttövedelle sallittiin rajattu lämpötilavaihtelu, jotta sähkön kulutusta voitaisiin ajoittaa taloudellista etua tuottaville tunneille. Yhdistetyn mallin toiminnalliset kustannukset vuoden yli minimoitiin kahdelle säävuodelle, suhteellisen viileälle 2012 ja lämpimälle 2015, GAMS-pohjaista Backbone-optimointityökalua käyttäen. Joustavia taloja mallinnettiin joko (verkko-)interaktiivisella tai itseoptimoivalla kulutusprofiililla: edellinen vuorovaikutti energiajärjestelmän kanssa sen kokonaiskustannusten minimoimiseksi ja jälkimmäinen minimoi vain omat lämmitys- ja jäähdytyskustannuksensa ennalta annettujen sähkön tuntihintojen pohjalta. Interaktiivinen kysyntäjousto mahdollisti parhaimmillaan 50 miljoonan euron säästön vuodessa järjestelmätasolla, tai noin 180 euroa taloa kohden. Käänteisesti, laajamittainen itseoptimoiva kysyntäjousto nosti järjestelmäkustannuksia ja aiheutti sähköpulatunteja. Taloudelliset vaikutukset riippuivat voimakkaasti säävuodesta: vuonna 2015 joustotapahtumia ilmeni suhteellisen tiheään ja järjestelmäsäästöjä ilmeni matalallakin penetraatiolla mutta vuonna 2012 harvemmin ja selkeitä etuja ilmeni vasta 90 - 100\% penetraatioasteella. Kumpanakin vuonna suurin osa säästöistä johtui vähentyneestä maakaasun käytöstä energiantuotannossa. Sekä interaktiivinen että itseoptimoiva kysyntäjousto alensivat lämmitys- ja viilennyskustannuksia joustamattomiin taloihin verrattuna. Interaktiivisen kysyntäjouston lisääntyessä joustamattomien talojen vuosikustannukset alenivat. Samalla joustavat talot menettivät suhteellista taloudellista etuaan. Kumpanakin vuonna interaktiivisen kysyntäjouston lisääminen pienensi eroa joustavien ja joustamattomien talojen vuosikustannusten välillä. Taloudelliset eturistiriidat interaktiivisten ja itseoptimoivien talojen välillä olivat hyvin pienet. Lisätutkimusta tarvitaan selvittämään, kuinka sähkömarkkinat voisivat paremmin vastata itseoptimoivaan kysyntäjoustoon ja estää liiallisten kulutuspiikkien syntymistä halvoille tunneille.Description
Supervisor
Lehtonen, MattiThesis advisor
Rasku, TopiKeywords
demand response, energy system modelling, building thermal modelling, electricity markets