Distributed Energy Resources in the Liberalized Electricity Markets

Publication: ResearchPh.D. thesis

Abstract

Det danske elsystem er under stor forandring, idet andelen af ikke-styrbar vedvarende energi øges kraftigt, mens de konventionelle kulkraftværker fases ud. Det sker som en del af den danske 2020 målsætning om 50% vind i elsektoren. I 2050 er det målet, at samtlige energisektorer skal forsynes udelukkende af vedvarende energi. Idet vindenergi er den primære kilde i Danmark til vedvarende energi, er det ønskeligt at elektrificere varme- og
transportsektoren. Derfor forventes det, at elforbruget vil øges over de kommende år.
Den øgede mængde vedvarende energi og det øgede elforbrug udfordrer det nuværende danske elsystem. Større mængder produktion fx fra vindmøller og solanlæg vil øge mængden af fluktuationer i elnettet, hvilket vil forårsage et stigende behov for systemstabiliserende reserver. De nuværende leverandører af sådanne reserver er imidlertid de konventionelle kraftværker, som er ved at blive udfaset. Derfor er der behov for alternativer til at kunne levere disse system-stabiliserende reserver. Et af temaerne i denne afhandling er at undersøge, hvorvidt fleksible forbrugere og lager-enheder kan være en del af løsningen på denne udfordring. En relateret udfordring er, at de nuværende elmarkeder
er designede til udelukkende at facilitere store konventionelle produktionsenheder og ikke mindre fleksible forbrugere og lager-systemer. Det kan derfor være svært at få mindre fleksible forbrugere gjort aktive i disse markeder. Denne udfordring adresseres også i afhandlingen, og det undersøges desuden, hvordan det nuværende markedsdesign kan revideres til bedre at kunne håndtere reserver leveret af forbrugs- og lagerenheder.
En tredje udfordring i det fremtidige danske elnet er, at det øgede elforbrug kan
forårsage overbelastninger i distributionsnettet. Specielt hvis fleksible enheders forbrug optimeres i forhold til el-markederne, kan der forekomme stor samtidighed i forbruget, hvilket kan lede til strøm-spidser, der kan overlaste distributionskablerne. I dag løses overbelastningsproblemer ved at forstærke nettet med større eller flere kabler. Men man kan forestille sig, at det i nogle tilfælde er en bedre økonomisk og miljømæssig løsning at udnytte fleksible forbrugs- og produktionsenheder til at reducere strøm-spidserne og
derved undgå flaskehalse i distributionsnettet. Dette er også et tema, som denne afhandlingarbejder med.
De ovenstående temaer og problemstillinger er hovedfokus i denne afhandling og de er blevet behandlet i en række artikler som beskrevet i det følgende. Artikel nummer 1 og 2 gennemgår det overordnede koncept vedrørende brug af fleksibelt forbrug til udbalancering af fluktuationer i nettet. Konceptet konkretiseres i de følgende artikler, nummer 3, 4 og 5, hvor husstandsvarmepumper er i fokus. Her vises det, hvordan varmepumper
kan optimeres i forhold til el-markedet og på den måde hjælpe med at balancere systemet.
Artiklerne viser, at el-udgifterne til husstandsvarmepumper kan reduceres i omegnen af 20 % ved at sælge sådanne balanceydelser i el-markederne uden at forårsage gener for beboerne. I artikel nummer 6 vises resultater fra et forsøg, hvor det samlede effektforbrug fra 54 varmepumper aggregeres og styres således, at det følger en reference. Over en 7 dages testperiode fulgte varmepumpernes samlede effektforbrug referencen med tilfredsstillende
performance samtidigt med, at forbrugerens krav til temperatur og varmt
vand blev overholdt. Efter forfatternes kendskab er det verdens første forsøg, hvor effektforbruget af en større mængde individuelle forbrugere aggregeres og styres til at følge en reference.
I artikel nummer 7 og 8 undersøges mulighederne for at lade forbrugsenheder levere hurtige og mere værdifulde systemydelser. I artikel nummer 8 præsenteres en metode for, hvordan en portefølje af tænd/sluk-enheder kan reguleres således at den kan levere primærreserve som overholder de danske systemydelses-regulativer.
Artiklerne nummer 9 og 10 undersøger el-markederne i Danmark og identificerer de største barrierer, der er for, at fleksible forbrugere kan komme ind på disse markeder.
Artiklerne viser, at det er nødvendigt, at forbrugsenhederne er i størrelsesordenen 20 −70 kWh, for at der er break-even mellem indtægter og udgifter ved deltagelse i spotmarkedet, mens enhederne skal være i størrelsesordenen 70−230 kWh for at opnå breakeven i markederne for systemydelser. Det er med andre ord kun meget store industrielle
forbrugsenheder, som på nuværende tidspunkt kan opnå et overskud ved at være aktive i el-markederne. I artikel nummer 11 foreslår vi en ny metode, som giver fleksible forbrugere bedre vilkår i markederne for hurtige reserver. Via simuleringer, baserede på markeds-data, viser vi, hvordan denne metode muliggør, at fleksible forbrugere kan levere væsentligt større mængder primærreserve end under de nuværende regulativer.
Endelig viser vi i artikel nummer 12 et koncept for at løse flaskehalsproblemer i distributionsnettet via fleksible forbrugere. I artiklerne nummer 13 og 14 udvider vi denne metode til at kunne løse flaskehalsproblemer, selv hvis de enkelte enheder, som hjælper med at aflaste flaskehalsene, ikke er villige til at samarbejde og derfor ikke vil dele deres lokale informationer med hinanden. Her benyttes kapacitetsmarkeder, som fremkommer ved at benytte dual dekompositions-metoden. Dual dekomposition har dog en række begrænsninger, som vanskeliggør en virkelig implementering. I artikel nummer 15 tages derfor en langt mere praktisk tilgang. Artiklen er baseret på et samarbejde med distributionsafdelingen i DONG Energy. Hovedresultatet er et konkret forslag til en fleksibilitetsydelse, som er i stand til at løse en bestemt type flaskehalsproblemer i distributionsnettet.
Ved brug af historiske data viser vi i artiklen, at værdien af et fleksibilitetsprodukt med størrelsen ca. 200 kW leveret i 1 − 4 timer med forventeligt 1 aktivering per år er ca. 7,500 Euro.
Close

Details

Det danske elsystem er under stor forandring, idet andelen af ikke-styrbar vedvarende energi øges kraftigt, mens de konventionelle kulkraftværker fases ud. Det sker som en del af den danske 2020 målsætning om 50% vind i elsektoren. I 2050 er det målet, at samtlige energisektorer skal forsynes udelukkende af vedvarende energi. Idet vindenergi er den primære kilde i Danmark til vedvarende energi, er det ønskeligt at elektrificere varme- og
transportsektoren. Derfor forventes det, at elforbruget vil øges over de kommende år.
Den øgede mængde vedvarende energi og det øgede elforbrug udfordrer det nuværende danske elsystem. Større mængder produktion fx fra vindmøller og solanlæg vil øge mængden af fluktuationer i elnettet, hvilket vil forårsage et stigende behov for systemstabiliserende reserver. De nuværende leverandører af sådanne reserver er imidlertid de konventionelle kraftværker, som er ved at blive udfaset. Derfor er der behov for alternativer til at kunne levere disse system-stabiliserende reserver. Et af temaerne i denne afhandling er at undersøge, hvorvidt fleksible forbrugere og lager-enheder kan være en del af løsningen på denne udfordring. En relateret udfordring er, at de nuværende elmarkeder
er designede til udelukkende at facilitere store konventionelle produktionsenheder og ikke mindre fleksible forbrugere og lager-systemer. Det kan derfor være svært at få mindre fleksible forbrugere gjort aktive i disse markeder. Denne udfordring adresseres også i afhandlingen, og det undersøges desuden, hvordan det nuværende markedsdesign kan revideres til bedre at kunne håndtere reserver leveret af forbrugs- og lagerenheder.
En tredje udfordring i det fremtidige danske elnet er, at det øgede elforbrug kan
forårsage overbelastninger i distributionsnettet. Specielt hvis fleksible enheders forbrug optimeres i forhold til el-markederne, kan der forekomme stor samtidighed i forbruget, hvilket kan lede til strøm-spidser, der kan overlaste distributionskablerne. I dag løses overbelastningsproblemer ved at forstærke nettet med større eller flere kabler. Men man kan forestille sig, at det i nogle tilfælde er en bedre økonomisk og miljømæssig løsning at udnytte fleksible forbrugs- og produktionsenheder til at reducere strøm-spidserne og
derved undgå flaskehalse i distributionsnettet. Dette er også et tema, som denne afhandlingarbejder med.
De ovenstående temaer og problemstillinger er hovedfokus i denne afhandling og de er blevet behandlet i en række artikler som beskrevet i det følgende. Artikel nummer 1 og 2 gennemgår det overordnede koncept vedrørende brug af fleksibelt forbrug til udbalancering af fluktuationer i nettet. Konceptet konkretiseres i de følgende artikler, nummer 3, 4 og 5, hvor husstandsvarmepumper er i fokus. Her vises det, hvordan varmepumper
kan optimeres i forhold til el-markedet og på den måde hjælpe med at balancere systemet.
Artiklerne viser, at el-udgifterne til husstandsvarmepumper kan reduceres i omegnen af 20 % ved at sælge sådanne balanceydelser i el-markederne uden at forårsage gener for beboerne. I artikel nummer 6 vises resultater fra et forsøg, hvor det samlede effektforbrug fra 54 varmepumper aggregeres og styres således, at det følger en reference. Over en 7 dages testperiode fulgte varmepumpernes samlede effektforbrug referencen med tilfredsstillende
performance samtidigt med, at forbrugerens krav til temperatur og varmt
vand blev overholdt. Efter forfatternes kendskab er det verdens første forsøg, hvor effektforbruget af en større mængde individuelle forbrugere aggregeres og styres til at følge en reference.
I artikel nummer 7 og 8 undersøges mulighederne for at lade forbrugsenheder levere hurtige og mere værdifulde systemydelser. I artikel nummer 8 præsenteres en metode for, hvordan en portefølje af tænd/sluk-enheder kan reguleres således at den kan levere primærreserve som overholder de danske systemydelses-regulativer.
Artiklerne nummer 9 og 10 undersøger el-markederne i Danmark og identificerer de største barrierer, der er for, at fleksible forbrugere kan komme ind på disse markeder.
Artiklerne viser, at det er nødvendigt, at forbrugsenhederne er i størrelsesordenen 20 −70 kWh, for at der er break-even mellem indtægter og udgifter ved deltagelse i spotmarkedet, mens enhederne skal være i størrelsesordenen 70−230 kWh for at opnå breakeven i markederne for systemydelser. Det er med andre ord kun meget store industrielle
forbrugsenheder, som på nuværende tidspunkt kan opnå et overskud ved at være aktive i el-markederne. I artikel nummer 11 foreslår vi en ny metode, som giver fleksible forbrugere bedre vilkår i markederne for hurtige reserver. Via simuleringer, baserede på markeds-data, viser vi, hvordan denne metode muliggør, at fleksible forbrugere kan levere væsentligt større mængder primærreserve end under de nuværende regulativer.
Endelig viser vi i artikel nummer 12 et koncept for at løse flaskehalsproblemer i distributionsnettet via fleksible forbrugere. I artiklerne nummer 13 og 14 udvider vi denne metode til at kunne løse flaskehalsproblemer, selv hvis de enkelte enheder, som hjælper med at aflaste flaskehalsene, ikke er villige til at samarbejde og derfor ikke vil dele deres lokale informationer med hinanden. Her benyttes kapacitetsmarkeder, som fremkommer ved at benytte dual dekompositions-metoden. Dual dekomposition har dog en række begrænsninger, som vanskeliggør en virkelig implementering. I artikel nummer 15 tages derfor en langt mere praktisk tilgang. Artiklen er baseret på et samarbejde med distributionsafdelingen i DONG Energy. Hovedresultatet er et konkret forslag til en fleksibilitetsydelse, som er i stand til at løse en bestemt type flaskehalsproblemer i distributionsnettet.
Ved brug af historiske data viser vi i artiklen, at værdien af et fleksibilitetsprodukt med størrelsen ca. 200 kW leveret i 1 − 4 timer med forventeligt 1 aktivering per år er ca. 7,500 Euro.
Original languageEnglish
Number of pages348
ISBN (print)978-87-7152-042-2
StatePublished - 2014
ID: 208464046