Sjølvkonsum av solenergi med bruk av batteri : degradering, lønsemd og fleksibilitet : med utgangspunkt i Tanberghøgda bustadfelt

Abstract

Auka andel fornybar og uregulerbar energiproduksjon førar med seg større usikkerheit og påverkar stabiliteten i kraftsystemet. For å oppretthalde dagens stabilitet er det derfor behov for løysingar som fleksibilitet og energilagringssystem. Denne oppgåva bereknar sjølvkonsum av solenergi ved bruk av batteri, ved hjelp av ein batterimodell utarbeida i Python. Det er tatt høgde for at batteriet degraderast ved bruk, estimert forventa levetid for batteriet og konkludert om batteri er ei økonomisk lønsam in- vestering. Utgangspunktet for oppgåva er det planlagde bustadfeltet Tanberghøgda, og ei energikonseptutreiing gjennomførd av COWI. Ved Tanberghøgda er det planlagd omtrent 600 bustadar, 500 kWp solkraft med forventa årleg produksjon på 530 MWh, og eit batteri på 1 MWh og 1 MW. I forbindelse med energikonseptutreiinga er simulerte produksjons og forbruksdata estimert. Ein kort litteraturstudie gjennomførd, med fokus på verknadsgrad, forventa degradering og forventa levetid for litium-ionbatteri. Funn frå desse studiane er utgangspunkt for paramet- rar brukt i batterimodellen. I modellen degraderast batteriet både for kvar gjennomførde syklus, og over tid. Simuleringane er gjennomførd til batteriet når 60% av nominell kapasi- tet, som er definert som ’End of Life’, EOL, for batteriet. For batteriet bereknar modellen antal syklusar som gjennomførast, estimert levetid og mengd lagra energi, der målet for bat- terit er å optimalisere for sjølvkonsum. I tillegg bereknar modellen sparte energikostnadar og økonomisk lønsemd for ei batteriinvestering. Resultata estimerer at batteriet aukar sjølvforsyningsgraden ved Tanberghøgda med 5 pro- sentpoeng, til 22%. Samtidig aukar dette andelen sjølvkonsum med 22 prosentpoeng til totalt 90%. Det er forventa å ta 23 år før batteriet når EoL. Degradering per syklus står for 17% mens degradering over tid står for 23%. Konklusjonen er at batteriet ikkje er økonomisk lønsamd kun ved lagring av solenergi. Ved deltaking i fleksibilitetsmarknad endrast derimot dette. Fast Frequency Reserve, FFR, er ein fleksibilitetsreserve som passar godt til batteri, utan at det går på bekostning av evna til å lagre solenergi. Det er og antatt at det ikkje går utover degradering eller levetida for batteriet i særleg stor grad. Basert på Statnetts mark- nadsdata for FFR vurderast batteriet å være lønsamt. Totalt førar dette til ein forteneste på 1,6 millionar kroner for batteriet, med utgangspunkt i ein batteripris på 4,2 millionar. Berekningane er og gjennomførd i tre alternative scenario, med 2 MWh batterikapasitet, 1 MWp solkraft og med omtrent 1200 bustadar som er det dobbelte av planlagd antal. Resten av parametrane for kvart scenario er som planlagd i utgangspunktet. Resultata indikerer at batteriet på 2 MWh er svært overdimensjonert. Batteriet vil her driftast ved låg SoC, med mykje ledig kapasitet, og sjølvkonsum aukar kun med 9 prosentpoeng. 1 MWp solkraft med batteri førar til sjølvforsyningsgrad på heile 30%, samtidig som meirkostnaden for eit større solkraftanlegg tenast inn på sparte straumkostnadar. Dersom 1200 bustadar byggjast ut, vil det være lønsamt å redusere kapasiteten på batteriet, men ein må framleis legge til rette for 1 MW effekt, sidan dette er kravet for å delta bidra som frekvensreserve, som FFR, for Stat- nett. Berekningane visar at dimensjonering av batteri, i forbindelse med straumproduksjon, forbruk etc. er viktig for god økonomisk lønsemd, og må vurderast for kvart enkelt tilfelle. Oppgåva visar at batteri i forbindelse med solkraftanlegg i eit bustadfelt, med optimal di- mensjonering og lagt til rette for fleksibilitetsmarknad, er lønsamt og anbefalt. Batteri lagrar effektivt overskotsenergi til seinare bruk, og avlastar samtidig kraftsystemet. Både sjølvkon- sum og sjølvforsyningsgraden for Tanberghøgda aukar vesentleg som følgje av batteri, og kan kombinerast godt med FFR.

An increasing share of renewable and unregular energy production leads to a significant uncertainty and affects stability. To maintain the power system’s current stability, new solutions are needed, such as more flexibility and energy storage systems.

This thesis calculates self-consumption of solar energy using a battery, through simulations in Python. The simulations degrade the battery during use, estimate life expectancy and the battery economic profitability. The origin of the thesis is the planned residential area Tanberghøgda, and an energy concept study carried out by COWI. At Tanberghøgda 600 homes, 500 kWp of solar power with annual production of 530 MWh, and a battery of 1 MWh and 1 MW are planned. In connection with the concept study, simulated production and consumption data are estimated.

A short literature study has been conductet, focusing on efficiency, degradation, and expected lifetime of lithium-ion batteries. Findings from these studies define the parameters used for simulations. The battery is degraded both due to each completed cycle due to time. The simulations are performed until the battery reaches 60% of nominal capacity, which is defined as ’End of Life’, EOL, for the battery. The model calculates the number of round-trip cycles, estimated lifetime, and amount of stored energy, where the goal is to optimize for self-consumption. In addition, the model calculates saved energy costs and financial profitability for a battery investment.

The results estimate that the battery increases self-sufficiency at Tanberghøgda by five percentage points, to 22%. At the same time, this increases self-consumption by 22 percentage points, to a total of 90%. It is expected to take 23 years before the battery reaches EoL. Degradation per cycle accounts for 17%, while degradation due to age accounts for 23%. The conclusion is that the battery is not economically profitable when used only to store solar energy. Participation in flexibility markets can change this. Fast Frequency Reserve, FFR, is a flexibility-reserve that fits well with batteries without compromising the ability to store solar energy. It is also assumed that it does not affect degradation or life of the battery to a great extent. Based on Statnett’s market data for FFR, the battery is estimated to be profitable. In total, this leads to a profit of 1,6 million NOK, for the battery with a price of 4,2 million NOK.

The calculations have also been carried out for three alternative scenarios, with 2 MWh battery capacity, 1 MWp solar power, and approximately 1200 homes. The rest of the parameters remains det same for each scenario. The results indicate that the 2 MWh battery is oversized, and will be operated at constantly low SoC, with a lot of spare capacity. Selfconsumption will only increase by 9 percentage points. 1 MWp of solar power with a battery leads to self-sufficiency of as much as 30%, at the same time as the additional cost for a larger solar power plant is accounted for by saved electricity costs. If 1200 homes are built, it will be profitable to reduce the battery’s capacity, but one must still facilitate 1 MW of power, since this is the requirement to participate as a frequency reserve, such as FFR, for Statnett. The calculations show that correct dimensioning for a battery according to electricity production, consumption, etc. is essential to achieve good economic profitability and must be considered for each case.

It is shown in the theis that batteries, with solar power plants in residential areas, is profitable and recommended with the proper measures and optimal dimensioning. Batteries efficiently stores excess energy for later use and relieves the power system. Both self-consumption and the degree of self-sufficiency for the residential area increase significantly due to the battery, which can also be combined well with FFR.