Orientador: Fábio Bertequini Leão / Resumo: No contexto de gestão e conservação de energia elétrica, ferramentas de apoio ao consumidor para gerenciar sua demanda são fundamentais para a otimização do uso dos recursos energéticos de modo a minimizar os custos com energia elétrica e ao mesmo tempo garantir o conforto do consumidor, considerando que este consumidor esteja inserido em um ambiente de Gerenciamento pelo Lado da Demanda (GLD). Assim, este trabalho propõe um novo modelo matemático de programação linear inteira mista (PLIM) para resolver o problema de gerenciamento ótimo de energia elétrica pelo lado do consumidor. O modelo matemático é baseado na minimização do custo da energia elétrica e maximização do conforto do consumidor, levando em conta a minimização da diferença entre o consumo habitual e o consumo ótimo, e a minimização da potência absorvida da rede. O modelo é implementado em linguagem de programação AMPL e resolvido utilizando o solver CPLEX. A metodologia é aplicada para gerenciar um conjunto de cargas típicas residenciais e os resultados mostram sua eficiência e potencial para gerenciar de forma ótima a demanda do consumidor, considerando a tarifa de energia elétrica com preço variável, geração distribuída, armazenamento de energia em banco de baterias e veículos elétricos. / Abstract: In the context of the management and conservation of electric energy, consumer support tools to manage their demand are fundamental for optimizing the use of energy resources in order to minimize energy costs and at the same time guarantee consumer comfort, considering that the consumer is inserted in a Demand Response (DR) environment. Thus, this work proposes a new mathematical model of mixed integer linear programming (MILP) to solve the problem of optimal management of electrical energy by the consumer side. The mathematical model is based on minimizing the cost of electrical energy, maximizing consumer comfort, taking into account the minimization of the difference between habitual consumption and optimal consumption, and minimizing the power consumed by the network. The model is implemented in AMPL programming language and solved using the CPLEX solver. The methodology is applied to manage a set of typical residential loads and the results show its efficiency and potential to optimally manage the consumer demand, considering the price of electricity with variable price, distributed generation, storage of energy in bank of batteries and electric vehicles. / Mestre

Submitted by LUÍS CARLOS SANCHEZ null (luissanchez-123@hotmail.com) on 2017-09-15T15:17:01Z No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃOLUISCARLOSSANCHEZ.pdf: 2890277 bytes, checksum: cfea2bf60d40685c6c36c43b6e60fd5b (MD5) / Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-09-15T15:21:08Z (GMT) No. of bitstreams: 1 sanchez_lc_me_ilha.pdf: 2890277 bytes, checksum: cfea2bf60d40685c6c36c43b6e60fd5b (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-15T15:21:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 sanchez_lc_me_ilha.pdf: 2890277 bytes, checksum: cfea2bf60d40685c6c36c43b6e60fd5b (MD5) Previous issue date: 2017-07-14 / No contexto de gestão e conservação de energia elétrica, ferramentas de apoio ao consumidor para gerenciar sua demanda são fundamentais para a otimização do uso dos recursos energéticos de modo a minimizar os custos com energia elétrica e ao mesmo tempo garantir o conforto do consumidor, considerando que este consumidor esteja inserido em um ambiente de Gerenciamento pelo Lado da Demanda (GLD). Assim, este trabalho propõe um novo modelo matemático de programação linear inteira mista (PLIM) para resolver o problema de gerenciamento ótimo de energia elétrica pelo lado do consumidor. O modelo matemático é baseado na minimização do custo da energia elétrica e maximização do conforto do consumidor, levando em conta a minimização da diferença entre o consumo habitual e o consumo ótimo, e a minimização da potência absorvida da rede. O modelo é implementado em linguagem de programação AMPL e resolvido utilizando o solver CPLEX. A metodologia é aplicada para gerenciar um conjunto de cargas típicas residenciais e os resultados mostram sua eficiência e potencial para gerenciar de forma ótima a demanda do consumidor, considerando a tarifa de energia elétrica com preço variável, geração distribuída, armazenamento de energia em banco de baterias e veículos elétricos. / In the context of the management and conservation of electric energy, consumer support tools to manage their demand are fundamental for optimizing the use of energy resources in order to minimize energy costs and at the same time guarantee consumer comfort, considering that the consumer is inserted in a Demand Response (DR) environment. Thus, this work proposes a new mathematical model of mixed integer linear programming (MILP) to solve the problem of optimal management of electrical energy by the consumer side. The mathematical model is based on minimizing the cost of electrical energy, maximizing consumer comfort, taking into account the minimization of the difference between habitual consumption and optimal consumption, and minimizing the power consumed by the network. The model is implemented in AMPL programming language and solved using the CPLEX solver. The methodology is applied to manage a set of typical residential loads and the results show its efficiency and potential to optimally manage the consumer demand, considering the price of electricity with variable price, distributed generation, storage of energy in bank of batteries and electric vehicles.

The Swedish electrical grid has historically been robust and reliable, but with increased electrification in numerous sectors, out-phasing of nuclear power and a high market diffusion of wind power, the system is now facing challenges. The rotational energy in the system is expected to decrease as a result of higher shares of intermittent energy sources, which can affect the stability of the grid frequency negatively. To manage increased frequency drops, the new Fast Frequency Reserve (FFR) market will be implemented by June 2020 in the Nordic power system. Simultaneously, it is expected that the demand of electricity will increase significantly in the transport and industry sectors in the coming years. Several DSOs already today indicate challenges with capacity and power security and have or will implement power tariffs as an economic incentive to prevent these problems. For energy intensive customers, such as industries, it will become important to reduce power peaks to avoid high grid fees. Several peak load shaving strategies can be utilized by industries to reduce their power peaks and thus the power tariff. The aim of this study is to economically analyze peak load shaving for Swedish industries. This is done using Li-Ion BESS and DSM, and to maximize the utilization of the BESS by including energy arbitrage and FFR market participation into the analysis. Firstly, a literature review is conducted within the topics of peak load shaving strategies, energy arbitrage and ancillary services. Secondly, data is gathered in collaboration with WSP Systems – Energy, the initiators of the project, to conduct case studies on two different industries. These cases are simulated in the modeling software SAM, for technical analysis, and then economically evaluated with NPV. Also, nine scenarios are created for the emerging FFR market concerning the number of activations per year and the compensation price per activation. The results from the case studies indicate that peak load shaving of 1 – 3 % with BESS provides a positive NPV for both case industries. However, higher percentages result in negative NPVs when no additional revenue streams are included. When considering energy arbitrage, it is concluded that the additional revenues are neglectable for both industries. Participating in the FFR market provides similar trends in the results as before. The exception is valid for scenarios with high numbers of FFR activations and compensation prices, where positive NPVs for all levels of peak load shaving can be concluded. The peak load shaving strategy DSM is implemented for one of the industries, where efficiency measures are concluded to have the most impact on the economic evaluation. If all efficiency measures would be implemented, the electricity consumption would be reduced by 17 %. Additionally, the power peaks would be reduced with 18 % and result in a significantly more positive NPV than peak load shaving using BESS. A sensitivity analysis concerning BESS capital cost and power tariff price concludes that the BESS price has a strong relation to the NPV, where a BESS price reduction of 60 % results in an NPV increase of at least 100 %. BESS prices have decreased the past years and are expected to keep decreasing in the future. Hence, investments in BESS can become more profitable and attractive in the coming years. Finally, for future research, it is recommended to combine the methodology from this study together with a load forecasting method. This combined methodology could then be practically applied to case specific industries with high peak loads. / Det svenska elnätet har historiskt sett varit robust och pålitligt, men i takt med ökad elektrifiering i flera sektorer, utfasning av kärnkraft samt ökad mängd installerad vindkraft ställs nu systemet inför nya utmaningar. Bland annat förväntas rotationsenergin i systemet minska som ett resultat av högre andelar intermittenta energikällor i systemet. För att hantera detta kommer den nya Fast Frequency Reserve (FFR) marknaden finnas tillgänglig från och med juni 2020. Samtidigt förväntas även efterfrågan på el inom transport- och industrisektorn öka markant de kommande åren. Redan idag är effektbrist ett problem i vissa regioner, vilket kan komma att förvärras. Många nätägare ska eller har redan infört effekttariffer för utnyttjande av deras elnät, vilket är ett ekonomiskt incitament för att hantera effektproblematiken där kunder med en mer flexibel elkonsumtion kommer gynnas. För större elförbrukare, som exempelvis industrier, kan det bli ekonomiskt betydelsefullt att sänka sina effekttoppar och därmed undvika höga nätavgifter. För att minska effekttoppar finns ett flertal så kallade peak load shaving-strategier, som kan utnyttjas av industrier för att minska kostnaderna för effekttariffen. Syftet med denna studie är att analysera peak load shaving för svenska industrier, med hjälp av ett Li-Ion batterilagringssystem och efterfrågeflexibilitet, samt maximera utnyttjandet av batteriet genom att inkludera energiarbitrage och deltagande i FFR-marknaden i analysen. Ett första steg i arbetet är att utföra en litteraturstudie för de berörda områdena. I ett andra steg insamlas data tillsammans med WSP, initiativtagaren av projektet, för att kunna göra en fallstudie på två industrier. För dessa fallstudier undersöks de tekniska förutsättningarna för att implementera peak load shaving-strategier genom modellering i simuleringsprogrammet SAM. Sedan utreds de ekonomiska förutsättningarna för fallstudierna, där NPV används som ekonomiskt nyckeltal. Dessutom skapas nio scenarion för den kommande FFR-marknaden för att uppskatta kostnader och inkomster. Resultatet av fallstudien visar att 1 – 3 % kapade effekttoppar med batterilagring ger ett positivt NPV för båda industrierna. Över 3 % blir resultatet negativt utan ytterligare inkomstströmmar inkluderade. Energiarbitrage konstateras att bidra med marginella positiva fördelar. Vid inkludering av FFR-marknaden i analysen erhålls liknande trender i resultaten, bortsett från scenarion med relativt högt antal avrop och pris. I dessa fall blir även 4 – 10 % kapade effekttoppar ekonomiskt attraktiva. För en av industrierna utvärderas efterfrågeflexibilitet, där effektivisering av elkrävande processer har störst inflytande på resultatet. Vid implementering av samtliga effektiviseringsåtgärder skulle elkonsumtionen minska med 17 %. Dessutom minskar effekttopparna med 18 %, vilket resulterar i ett signifikant mer positivt NPV, jämfört med användningen av batterilager. En känslighetsanalys gällande batteripris och effekttariffer, konstaterade att batteripriset har en stark påverkan på NPV. Vid en batteriprisminskning på 60 % ökar NPV med minst 100 %. Därmed kan batteriinvesteringar bli mer gynnsamma och attraktiva om batteripriser fortsätter att falla, vilket flera prognoser indikerar. Slutligen rekommenderas framtida studier att kombinera metodiken från detta arbete med en prognostiseringsmetod för elanvändning i industrier. Denna kombinerade metod kan sedan praktiskt tillämpas på fallspecifika industrier med höga effekttoppar.

This master thesis evaluates the incentives of a newly implemented market controlled network tariff by analyzing consumption data and constructing a time-differentiated debiting model. The tariff was implemented by Sandviken Energi Elnät AB and the thesis evaluates its customers consumption data compared to data provided by Sundsvall Elnät AB. The differences in data is evaluated by statistical tests of Students t-test, Bayesian t-test and χ2-test with the result that no statistically significant change in user pattern can be found and thus an elucidation of the incentives must be made in the form of a hourly time-differentiated debating model. The thesis also evaluates the cost incentives of the model compared to spot prices where it is shown that the tariff model can benefit much from the spot prices hourly incentives in its hourly time-differentiated model. Five time-differentiated models were constructed and presented where three uses a color coding scheme. The conclusion is that a color coded time-differentiated tariff should give the costumers clear and cost-effective incentives.

I takt med ökad elektrifiering i samhället står elnätet inför en problematik med kapacitetsbrist. Med anledning av detta finns ett behov av att utveckla en mer flexibel och effektiv användning av elnätet. En del i detta är införandet av effekttariffer, vilket ska skapa incitament för elkunder att sprida ut sin elanvändning och på så sätt avlasta elnätet. Företaget Enequi tillhandahåller ett system med smart styrning och batterilagring vilket kan utföra effekttoppskapning i syfte att reducera effektavgiften. I denna studie granskas två bostäder, belägna i Partille och Sollentuna, vilka båda har ett styrsystem från Enequi installerat. Syftet är att undersöka hur styrningen bidrar till en förändring i effektavgiften hos de båda bostäderna, samt att bedöma systemets prestanda. Resultatet från Partille visar att ägaren under de åtta månaderna systemet varit i drift sparar 259 kronor på effektavgiften, medan ägaren i Sollentuna under tolv månader sparar 865 kronor. Analysen av systemets prestanda visar också att systemet presterar mest optimalt när egenproducerad el är tillgänglig. Systemet bidrar till nätnytta genom att flytta lasten i bostaden från högt belastade timmar till lågt belastade. Brister som har identifierats i prestandan inkluderar problematik med förhöjda effektavgifter under vissa månader. Slutsatsen är att systemet presterar funktionellt trots vissa brister och att det är möjligt att göra besparingar på effektavgiften över tid.