Utfordringer for energisystemet ved energiproduksjon fra nullenergibygg (ZEB) CenSES årskonferanse 213 Oslo, 9.desember 213 Karen Byskov Lindberg PhD stipendiat, NTNU, FME-sentrene ZEB og CenSES Overingeniør, NVE Prof. Gerard Doorman Institutt for Elkraftteknikk Norges Teknisk Naturvitenskapelig Universitet (NTNU) K.B. Lindberg, Utfordringer for energisystemet ved energiproduksjon fra nullenergibygg
Innhold Motivasjon og bakgrunn Energibruk i Nullenergibygg Metodikk og modell Lastprofiler for varmebehov og el-behov Utfordringer Nettet Kraftmarkedet
Lastprofil 25 2 Electricity consumption 212 Norway (5 mill people) Denmark (6 mill people) MWh/h 15 1 5 1 Ref: Nordpool Spot (www.nordpoolspot.com) 876
Motivasjon og problemstilling Hvordan vil lastprofilen for Norge utvikles? Med storskala introduksjon av Nullenergibygg (ZEBs)? Virkninger for energisystemet? Hvordan påvirkes topplasten? Hvordan påvirkes prisdannelsen i kraftmarkedet? Hvordan vil Norges mulighet for å handle med kapasitet påvirkes?
Elforbruk i nullenergibygg (ZEB) Netto lastprofil Elektrisitet Romvarme & tappevann Varmtvannstank Kraftnettet VP Ved, pellets Fjernvarme
Elspesifikt behov Belysning Elektriske apparater Termisk behov VP panelovn elkjel Elforbruk Netto Lastprofil PV Elproduksjon Smart styringssystem
Kilde: www.sma.de
Energibruk i Nullenergibygg Kilde: NVE/Multikonsult Årlig energietterspørsel => Hva skjer på timesnivå? Energibehov: Sammenlikner eksisterende bygg med passivbygg
Regresjon lastprofiler Data Målt varmeforbruk Time (over 3 år) Fjernvarme og elkjeler Skolebygg 26 eksisterende skoler 1 passivskole Energy consumption (kwh/m 2 yr) 25 2 15 1 5 2 5 11 12 14 15 16 18 2 23 25 28 3 31 32 33 35 36 37 39 4 42 43 44 47 52 Building no. Electricity Heat Heated area average passive 2 16 12 8 4 Heated area (m 2 )
Predikert varmelast Regresjonsanalyse Gjennomsnittlig eksisterende skole vs. passiv-skole Vinteruke: Heat demand (W/m2) 7 6 5 4 3 2 1 1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 15 113 121 129 137 145 153 161 15 1 5-5 -1-15 -2 Average Sch. Passive Sch. Temperature Mon Tue Wed Thu Fri Sat Sun Hour
Varmebehov (for skolebygg) Elektrisitetsbehov Varmebehov (Wh/h per m2) 7 6 5 4 3 2 1 Predikert vha regresjonsmodellen Eksisterende Drammen Passiv Drammen Elektrisitetsbehov (Wh/h per m2) Basert på måledata 7 Eksisterende 6 Passiv 5 4 3 2 1 1 419 837 1255 1673 291 259 2927 3345 3763 4181 4599 517 5435 5853 6271 6689 717 7525 7943 8361 1 421 841 1261 1681 211 2521 2941 3361 3781 421 4621 541 5461 5881 631 6721 7141 7561 7981 841
Total lastprofil (for skolebygg) Netto lastprofil NB! Uten styring av last Total el-lastprofil (Wh/h per m2) 8 6 4 2-2 Ca 7 Wh/h per m2 Eksisterende m/panelovner Passiv m/panelovner Passiv m/vp 1 419 837 1255 1673 291 259 2927 3345 3763 4181 4599 517 5435 5853 6271 6689 717 7525 7943 8361 Total el-lastprofil (Wh/h per m2) 8 6 4 2-2 Nullenergi m/fjernvarme Nullenergi m/vp Nullenergi m/biokjel 1 419 837 1255 1673 291 259 2927 3345 3763 4181 4599 517 5435 5853 6271 6689 717 7525 7943 8361-4 -4 Ca 35 Wh/h per m2
Virkninger for nettet Energimessig små utfordringer Topplast høyere enn maks innmatning NB! Analysen gjort på energi per time Spenning (V) Toleranseområde Overspenning Spenningsforhold og flimmerproblemer er ikke analysert Sol på flere bygg i samme nabolag kan gi overspenninger Tidsoppløsning på minutt eller sekund kan gi andre resultat Underspenning
Virkninger for markedet Power price per MWh in respective load block and macro period 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 Foreløpig analyse med sol i Norge Installasjon av solkraft (PV): 1 GW, 5 GW, 1 GW og 2 GW Kraftsystemet i 22 med THEMA-modellen Resultat Avhengig av Tysklandskabel eller ikke 1 GW 2 GW Load block prices in chosen interval from MP 1 to 13 Ref Våtår+1GWsol VS uten TYkabel REF_22-NOS 22_Sol_vat-NOS 22SolvaatuGER-NOS Load block prices in chosen interval from MP 1 to 13 Power price per MWh in respective load block and macro period 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 Ref Våtår+2GWsol VS uten TYkabel REF_22-NOS WY_SUN-NOS WY_SUN_NOCABLE-NOS 1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 15 113 121 129 137 145 153 161 169 177 185 193 21 29 217 225 233 241 249 257 265 273 281 289 297 35 1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 15 113 121 129 137 145 153 161 169 177 185 193 21 29 217 225 233 241 249 257 265 273 281 289 297 35
Oppsummering Varmelastprofil for skolebygg Årlig varmebehov redusert med 67 %, mens topplast og amplitude for varmebehov halvert. Virkning for nettet med nullenergibygg Foreløpig analyse av skolebygg viser Energimessig små utfordringer (dvs. regional- og sentralnett), men kan gi utfordringer som spenningsforstyrrelser og flimmer i distribusjonsnettet. Virkning for kraftmarkedet Energimessig plass til solproduksjon i det norske kraftsystemet Videre/pågående arbeid Regresjon av el-profiler og varmeprofiler (kontorbygg, barnehager, forretningsbygg og sykehjem) Netto el-lastprofiler med smart styring (optimering) Effekt av endrede netto lastprofiler på energisystemet Takk til Norges vassdragsog energidirektorat
Takk for oppmerksomheten karen.lindberg@ntnu.no
extras
Lastprediksjon vha. regresjon Modellformulering To tilnærminger ble undersøkt [1],[2] Forklaringsvariable T, T 2, TMA (24hr moving average temp), solminutt per time, vind, WMA (24hr moving average wind) Signifikante forklaringsvariabler: T ogtma Energi-Temperatur kurve Nyttig for å evaluere modellen «Changing point temperature (CPT)» viktig for modellutformingen Energy (kwh/h per 1m 2 floor area) 7 6 5 4 3 2 1 ET - curve Temperaturavhengig varmeforbruk -2-17-14-11 -8-5 -2 1 4 7 1 13 16 19 22 25 28 CPT= 12 Temperature ( C) Temperaturuavhengig varmeforbruk [1] L. Pedersen. "Load Modelling of Buildings in Mixed Energy Distribution Systems," Ph.D. dissertation, Dept. Process Engineering, The Norwegian University of Science and Technology (NTNU), Trondheim, 27 [2] Stokke, G. Doorman, T. Ericson. An analysis of demand charge electricity grid tariff in the residential sector. Energy Efficiency, K. B. vol. Lindberg, 3, pp. Utfordringer 267-282, Jan. for 21. energisystemet ved energiproduksjon fra nullenergibygg
Regresjonsmodel for lastprediksjon En likning for hver time i døgnet (1-24): If T < CPT: If Heat demand For each building i, at each hour t. yy iiii = αα ii + αα tt + ββ tt TT TT iiii + ββ tt TTMMMM TTMMMM iiii + εε iiii yy iiii = αα ii + γγ tt + εε iiii Building specific constant term Time specific constant term Temperature dependency Outdoor temperature at building s site Error term
Regressionsmodell for lastprediksjon En likning for hver time i døgnet (1-24): Temp.avhengig område (T < CPT): Temp. uavhengig område (T > CPT): Total likning yy iiii = αα ii + αα tt + ββ tt TT TT iiii + ββ tt TTMMMM TTMMMM iiii + εε iiii yy iiii = αα ii + γγ tt + εε iiii ukedager helgedager «Goodness of fit» Gjennomsnittsskole: R 2 = 68 % Passivskole: R 2 = 69 %
Validering av modellen: Målt forbruk vs. predikert forbruk Energi Temperaturkurve for hver time kwh/h per 1 m2 GFA 2 4 6 8 Hour no. 1-2 -1 1 2 3 Temperature ( C) Measured heat Predicted values Energy (Wh/h per m2 floor area) 1 2 3 4 Passive School Buidling (Hour no.1) -2-1 1 2 Temperature ( C) Measured heat, Sch 6 Predicted heat, Sch 6 Årlig prediksjon (ett bygg) Wh/h per m2 floor area 2 4 6 8 Wh/h per m2 floor area 1 2 3 4 Passive School Building 5 1 15 2 25 Hour number (3 years) Measured heat, Sch 28 Estimated heat, Sch 28 8 1 12 14 16 18 Hour number (1 year) Measured heat, Sch 6 Predicted heat, Sch 6
Predikert varmelast Vinteruke Heat demand (W/m2) 7 6 5 4 3 2 1 1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 15 113 121 129 137 145 153 161 Mon Tue Wed Thu Fri Sat Sun Hour 15 1 5-5 -1-15 -2 Average Sch. Passive Sch. Temperature Høstuke Heat demand (W/m2) 7 6 5 4 3 2 1 1 1 19 28 37 46 55 64 73 82 91 1 19 118 127 136 145 154 163 Mon Tue Wed Thu Fri Sat Sun 15 1 5-5 -1-15 -2 Average Sch. Passive Sch. Temperature Hour Sommerferieuke Heat demand (W/m2) 7 6 5 4 3 2 1 1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 15 113 121 129 137 145 153 161 25 2 15 1 5-5 -1 Average Sch. Passive Sch. Temperature Mon Tue Wed Thu Fri Sat Sun K. B. Lindberg, Utfordringer Hour for energisystemet ved energiproduksjon fra nullenergibygg