The role of Swedish single-family dwellings in the electricity system - The importance and impacts of solar photovoltaics, demand response, and energy storage
Doktorsavhandling, 2016

This thesis investigates the role Swedish single-family dwellings can play in the electricity system. Both through becoming electricity producers through the use of solar photovoltaic (PV) systems, and the possibilities of demand response (DR) and energy storage in combination with this, and through the DR of electric space heating in the dwellings. The methodology used builds on the use of optimization models, which describe the relevant parts of the dwellings and technical systems, measured household load profiles, and modeled space heating demand. The developed models are linked to an existing model that performs a cost optimal dispatch of the electricity generation system. Thereby, allowing for co-optimization of the dispatch of supply side electricity generation and DR, and the evaluation of impacts on the supply side of the system from actions taken on the demand side and vice versa. The results indicate that given that there is added value in self-consumption of PV generated electricity, i.e., not paying taxes and variable grid fees on self-consumed PV generated electricity, an expansion of household PV systems in Sweden that is driven by economic incentives appears to be robust with regards to the composition of a future electricity system. The households’ economic potential for battery investments is found to be dependent to a large degree upon the economic value of utilizing them for arbitrage and in the economic value of increased self-consumption of PV generated electricity. Furthermore, a practical limit on the ability of batteries to increase the self-consumption of PV generated electricity in Swedish households is identified. For the DR of household loads the economic value provided to a household’s investment in a PV system is small, except in the case of hydronic heating loads. It is also shown that for future evaluations of large scale investments of household PV-battery systems there is a need to include feedback mechanisms between the supply and demand sides of the electricity system. A significant DR potential is identified for the electric space heating in the dwellings. The economic value of the DR is found to depend on the future electricity system composition. In a future system that is dominated by variable wind power, DR offers economic value through decreasing the number of start-ups, obviating the need for part-load operation of thermal power plants, and avoiding the operation of peaking gas power plants. In an electricity system less dominated by wind power the value of DR is low. The DR is found be used to a large extent for valley filling, increasing load during low load hours, and peak shaving, decreasing load during high load hours.

Electricity system models

Electric space heating

Batteries

Demand response

Single-family dwellings

Demand side management

Optimization

Solar photovoltaics

Distributed generation

Virtual Development Laboratory, Chalmers tvärgata 4-6
Opponent: Professor Dirk Müller, Institute for Energy Efficient Buildings and Indoor Climate, RWTH Aachen University, Tyskland

Författare

Emil Nyholm

Chalmers, Energi och miljö, Energiteknik

Nyholm, E., Goop, J., Odenberger, M. and Johnsson, F. System benefits of demand response of electric space heating in Swedish single family dwellings.

Goop, J., Nyholm, E., Odenberger, M. and Johnsson, F. Impact from electricity market feedback on PV and battery investments in Swedish single-family dwellings.

Nyholm, E., Odenberger, M. and Johnsson, F. An economic assessment of distributed solar photovoltaics in Sweden - the impact of demand response.

Värdens energisystem måste ställas om till att vara oberoende av fossila bränslen om vi ska lyckas undvika framtida klimatförändringar. En sådan omställning innebär stora förändringar för Europas nuvarande elsystem, då detta till stor grad består av kraftverk som drivs av kol och naturgas. Forskning som presenteras i denna avhandling undersöker hur svenska enfamiljsbostäder kan bidra i en sådan omställning, och hur deras agerande kan påverka det omgivande elsystemet. Fokus har dels varit på att undersöka de tekniska och ekonomisk förutsättningarna för en expansion av solcellspaneler hos hushållen. Detta har gjorts genom att undersöka hur batterier och möjligheten att flytta elkonsumtion i tiden, till exempel skjuta upp starten av en tvättmaskin, kan hjälpa till att öka hushållens konsumtion av den egenproducerade solcellselen. Motivationen till ökad konsumtionen av den egenproducerade elen är att det för hushållen finns ett större ekonomiskt värde i att konsumera elen själv. Dessutom så har möjligheterna att flytta hushållens elvärmekonsumtion i tiden undersökts. Detta genom att styra hur värmesystem körs, till exempel genom att kör systemen på full effekt under några timmar för att sedan stäng av dem helt under de kommande timmarna. Genom att flytta efterfrågan på el så kan det bland annat finnas möjligheter att underlätta expansionen av elproduktion man inte kan styra över, till exempel vindkraft. Då el för uppvärmning är den enskilt största källan till elkonsumtion i svenska enfamiljsbostäder så kan det finnas ett stort värde i att kunna styra delar av denna konsumtion.

Resultaten visar att det finns en klar gräns för hur stora batterier hushållens solcellsanläggning kan ha nytta av, som exempel kan ges att batteristorlekar över 10-15 kWh för en 5 kWp solcellsanläggning ger väldigt lite nytta både ekonomiskt och med avseende på att öka hushållens konsumtion av den egenproducerade elen. Det visar sig också finnas fog för en ekonomiskt driven expansion av solcellspaneler hos hushållen i alla undersökta framtidsscenarier. Hushållens ekonomiska vilja att investera i batterier är dock betydligt mer varierande, och är beroende av ett kraftigt varierande elpris och att skillnaden i värdet mellan att konsumera den producerade elen själv eller sälja den till elnätet är tillräckligt stort. Möjligheten att flytta elkonsumtion i tiden i kombination med solcellselsproduktion ger en relativt liten ekonomisk nytta för hushållen.

Värdet av den flexibilitet som den elvärme som finns i svenska enfamiljsbostäder kan bidra med beror på hur det framtida Europeiska elsystemet utvecklar sig. Om framtiden visar sig innehålla en fortsatt kraftig expansion av vindkraft så kan flexibiliteten komma till nytta. Detta då flexibiliteten kan underlätta de problem som kan uppstå när vindkraftsproduktionen varierar. I system med betydligt mindre varierande elproduktion visar sig flexibilitet vara värd väldigt lite. Det ska dock sägas att den potentiella ekonomisk ersättning som enskilda hushåll kan förvänta sig i det elsystem där värdet av den flexibilitet som de erbjuder är som störst också är relativt låg.

Insikten som fås från de resultat som presenteras i denna avhandling kan förhoppningsvis hjälpa till att vägleda beslutsfattare och andra aktörer inom elsektorn.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Ämneskategorier

Energiteknik

Energisystem

Annan elektroteknik och elektronik

Styrkeområden

Energi

ISBN

978-91-7597-480-4

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4161

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

Virtual Development Laboratory, Chalmers tvärgata 4-6

Opponent: Professor Dirk Müller, Institute for Energy Efficient Buildings and Indoor Climate, RWTH Aachen University, Tyskland