Demand-Side Flexibility (DSF) is a very attractive option to solve challenges that are emerging from the evolution of modern power systems all around the world. The greater integration of intermittent renewable energy sources into the energy mix creates the need for flexible end-user behavior and demand management. In Singapore, distributed power production grows steadily in the form of rooftop solar PV panels installed on both households and commercial buildings, where the main load demand is cooling and air conditioning. Challenges arise also from the projected rapid increase in the penetration of Electric Vehicles (EVs). The charging routines of EVs could represent a high and potentially dangerous power peak that the current electrical grid is not able to withstand. Providing the ability to shift the demand profile of a large building or a neighborhood with minimum modifications of the electrical grid, DSF is poised to play a central role in solving these challenges during the next 10-20 years. This study proposes linear mathematical modeling for the optimum utilization of sensible-heat thermal and electrochemical battery energy storage, implemented in the already existing building modelling framework developed by TUM-CREATE, the CoBMo. An optimization problem is defined aiming to minimize the total cost as the sum of operational costs from the electricity consumption of the HVAC system and the investment costs for the energy storage. Financial payback analysis is performed using the CoBMo version improved with the mathematical model to estimate the achievable annual savings. The discounted payback time is considered as an economic indicator to whether the storage would be a valid investment or not depending on the electricity price signal – wholesale and retailer – as well as on the storage operation setup and installation costs, lifetime, efficiency, etc. The economic analysis shows that both the thermal energy and battery storage options are feasible for office buildings in Singapore considering the investment conditions from year 2020 onwards. While chilled-water thermal energy storage is well established and relatively simple technology, the battery storage displays better economic return when selecting Li-Ion Nickel Manganese Cobalt (NMC) technology. The optimal daily schedule of both storage solutions is presented in this study, showing how the optimization tool leverages the price signals, relying on trade-offs between operational expenditures and investment costs for the energy storage systems. / Den inbyggda flexibiliteten av elkonsumtion vid slutanvändarna för att jämna ut en varierande tillförsel av elkraft från produktionssidan kallas för ”Demand-Side Flexibility” (DSF). DSF är ett attraktivt verktyg för att lösa utmaningarna som uppstår från den växande andelen elproduktion baserad på varierande energikällor såsom solkraft och vindkraft, som utvecklas överallt i världen. I Singapore växer utbyggnaden av solkraft mycket snabbt i form av solceller på byggnaders tak och den större integrationen av förnybara resurser i energiblandningen skapar ett behov av att göra efterfrågan flexibel med tanke på det typiskt stora andelen kyla och luftkonditionering. Utmaningar uppstår också från den förväntade snabba ökningen av antalet elfordon vems laddningsrutiner representerar en hög och potentiellt farlig effekttopp som det nuvarande elnätet kommer snart inte kunna tåla. Därför spelar DSF-tekniken en central roll när det gäller effektiva lösningar för dessa utmaningar inom de kommande 10-20 åren. Studien härmed föreslår en optimeringsmetod baserad på linjära matematiska modeller för byggnadsintegrerade energilaggringssystem i form av både kylvattenlagring och elbatterier. Metoden implementeras i ett redan befintligt program för modellering av byggnadsenergisystem som utvecklats av TUM-CREATE och kallas för CoBMo. Optimeringsmålet definieras för att minimera den totala kostnaden som är summan av driftskostnaderna för VVS-systemet samt investeringskostnaderna för energilagringen. En ekonomisk återbetalningsanalys utförs med hjälp av CoBMo-programmet förbättrad med det härmed utvecklade optimeringsverktyget som utvärderar de årliga besparingarna. Återbetalningstiden betraktas som en ekonomisk indikator på huruvida energilagringen skulle varit en giltig investering eller ej, beroende på en varierande elprissignal – både grossist elhandel och elpriset för småkunder – och även energilagringens användarprofil och effektivitet samt kostnaderna för installation, underhåll, avskrivningar, m.m. Den ekonomiska analysen visar att både kylvattenackumulator samt elbatterier integrerade i kontorsbyggnader i Singapore kan leverera avkastning med tanke på det förväntade investeringsklimatet från och med år 2020. Även om lagringen av värme och kyla är en beprövad och relativt enkel teknik, studien visar att batterilagring står sig bättre ekonomiskt, särskilt när man väljer Li-Ion Nickel Mangan Cobalt (NMC) tekniken. Den optimala dagliga laddnings- och urladdningsstrategin för vardera energilagringslösningen presenteras i resultaten från denna studie, vilket visar hur optimeringsmodellen utnyttjar de prissignaler som tillhandahålls och gör en avvägning mellan driftsutgifter och investeringskostnader för energilagringen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-273143 |
| Date | January 2020 |
| Creators | Miori, Tommaso |
| Publisher | KTH, Kraft- och värmeteknologi |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ITM-EX ; 2020:10 |
Page generated in 0.0091 seconds