Simulering av styringsalgoritmer for lastflytting av industrielle varmtvannsberedere på Oslo Lufthavn Gardermoen

Abstract

Energiomstilling i det norske kraftsystemet har økt behovet for fleksibilitet i strømnettet. Det er nødvendig å utnytte alternative ressurser på forbrukersiden som kan bidra til mer fleksibilitet. Av den norske topplasten består av omtrent 25 til 30 % av varmelaster. Varmtvannsberedere er en type varmelast med iboende lagringskapasitet for termisk energi, som gjør at den egner seg spesielt godt til å flytte strømforbruk over tid. Denne masteroppgaven modellerer hvordan egenskapene til varmtvannsberedere bestemmer potensialet for lastflytting, ved å benytte systemer integrert på Oslo Lufthavn Gardermoen som et case-scenario.

Oppgaven detaljerer to ulike styringsalgoritmer for flytting av strømforbruket til et spesifikt beredersystem, utviklet med individuelle formål. Den første styringsalgoritmen har formål om maksimal lastflytting av strømforbruk tilknyttet varmtvannsberedere til de daglige timene med lavest totalt strømforbruk på flyplassanlegget. Den andre styringsalgoritmen har formål om unngåelse av strømforbruk tilknyttet varmtvannsberedere ved de høyeste daglige effekttoppene internt på anlegget. Algoritmene simuleres med hensyn til systemets fysiske begrensinger ved hjelp av historiske data. Resultatene fra dette systemet ekstrapoleres til å gjelde for alle aktuelle beredersystemer på Gardermoen. Simuleringene demonstrerte at begge styringsalgoritmene oppnådde sine primærformål.

I preliminæranalysen ble det oppdaget at berederne var over halvfulle med varmtvann i 99,97 % av den vurderte perioden. I 69,06 % av den vurderte perioden var lagret varmtvann over 75 % av den tilgjengelige lagringskapasiteten til tankene. Oppgaven fastslår at et betydelig potensial for å tappe varmtvann, uten umiddelbar påfølgende oppvarming eksisterer i varmtvannsberederene på Gardermoen. Dette potensialet resulterte i en samlet flyttet energimengde på 182,3 MWh for den første algoritmen, og 175,2 MWh for den andre.

Simulert lastflytting har hovedsakelig blitt vurdert med et implisittt perspektiv, ved å direkte beregne økonomisk lønnsomhet. Metoden med formål om unngåelse av effekttopper resulterte i høyere lønnsomhet på grunn av høyere kutt av effektleddet i nettleiemodellen. Total besparelse viste seg å være 42 843,90 kroner. Ulempen med denne styringsalgoritmen er at den krever nøyaktige prediksjonsmodeller for strøm- og varmtvannsforbruk som ikke eksisterer på nåværende tidspunkt. Total besparelse for styringsalgoritmen med formål om maksimal lastflytting ble bereg- net til 37 369,27 kroner. Fordelen med denne styringsalgoritmen er at den er svært implementerbar under nåværende forutsetninger.

Resultatene ga også innsikt for utnyttelse i et eksplisitt perspektiv. Utkobling av strømforbruk trygt kan forkomme i 6 timer hvert døgn. Responstiden er i tillegg svært rask. Dette tillater del- takelse i alle nåværende reservemarkeder om ressursene aggregeres til et tilstrekkelig nivå. Dette kan gjøres av Avinor direkte eller gjennom en ekstern aggregator. I fremtiden kan det også være mulig å by disse ressursene direkte inn på lokale fleksibilitetsmarkeder. Installeres mer omfattende målepunkter vil denne kapasiteten kunne benyttes mer optimalt, og muliggjøre bud i begge reguleringsretninger.

The energy transition in the Norwegian power system has increased the need for flexibility in the electricity grid. It is necessary to utilize alternative resources on the consumer side that can contribute to increased flexibility. About 25 to 30 % of the Norwegian peak load consists of heating loads. Water heaters are a type of heating load with inherent storage capacity for thermal energy, which makes them particularly well-suited to shifting electricity consumption over time. This master’s thesis models how the characteristics of water heaters determine the potential for load shifting, by using systems integrated at Oslo Airport Gardermoen as a case scenario.

The thesis details two distinct management algorithms for shifting the electricity consumption of a specific heater system, for different purposes. The first management algorithm aims to shift the maximum amount of electricity consumption associated with water heaters to the hours with the lowest total electricity consumption at the airport facility. The second control algorithm aims to avoid electricity consumption associated with water heaters during the highest daily peak loads of total consumption at the facility. The algorithms are simulated with regard to the system’s physical limitations using historical data. The results from this system are extrapolated to apply to all relevant water heater systems at Gardermoen. The simulations demonstrated that both control algorithms achieved their primary objectives.

In the preliminary analysis, it was discovered that the heaters were more than half full of hot water in 99.97 % of the assessed period. In 69.06 % of the assessed period, the stored hot water was over 75 % of the tanks’ available storage capacity. The thesis concludes that there is significant potential for using hot water, without immediate subsequent heating, in the water heaters at Gardermoen. This potential resulted in a total shifted energy amount of 182.3 MWh for the first algorithm, and 175.2 MWh for the second.

Simulated load shifting has primarily been assessed from an implicit perspective, by directly calculating economic profitability. The method aimed at avoiding peak loads resulted in higher profitability due to higher saving in the related net tariff model. The total savings turned out to be 42,843.90 NOK. The downside of this management algorithm is that it requires accurate prediction models for electricity and hot water consumption that do not exist at the present moment. The total savings for the management algorithm aimed at maximum load shifting were calculated to be 37,369.27 NOK. The advantage of this algorithm is that it is highly implementable under current conditions.

The results also provided insights for utilization from an explicit perspective. The disconnection of electricity consumption can safely occur for 6 hours each day. Additionally, the response time is very rapid. This allows for participation in all current reserve markets if the resources are aggregated to a sufficient level. This can be done by Avinor directly or through an external aggregator. In the future, it may also be possible to bid these resources directly into local flexibility markets. With the installation of more measurement tools, this capacity could be used more optimally, enabling regulation of freqeuncy in both directions.