Flexibla el-kunders roll i ett framtida förnybart kraftsystem

I Sverige finns en möjlighet att ha en mycket stor andel förnybar kraftproduktion.

FoES forskningsprojekt - Flexibla el-kunders roll i ett framtida förnybart kraftsystem

Vi vet att vi måste förändra samhället för att minska koldioxidutsläppen och utsläpp av andra växthusgaser. Den absolut största källan till utsläpp av växthusgaser orsakas runt elproduktionen. Sektorn har historiskt förlitat sig på fossila energikällor (sten- och brunkol, olja och naturgas) på grund av dessa källors kortsiktiga fördel med hög energitäthet, men också med stor möjlighet att förutse och kontrollera produktionen. 

En utmaning med vind- och solkraft är att dessa kraftkällor har en varierande produktion. Om vi vill understödja övergången till ett kraftsystem drivet av förnybara energikällor är det huvudsakliga målet att utveckla möjligheten att synkronisera elproduktionen och elanvändningen.

Syfte

Vårt forskningsprojekt ger insikt i hur framtidens elanvändare kan bidra med flexibel elanvändning utifrån sin tidsberoende priselasticitet.  Vi undersöker både elanvändarnas intention (beteendeekonomi) och kapacitet (den tekniska) att använda el flexibelt och reagera på incitament från elmarknaden och dess aktörer. På så sätt undersöker vi också elanvändarnas möjlighet att understödja en ökad andel förnybar kraftproduktion.

ForskningsresultatVisa/dölj innehåll

Ett elkraftsystem med en ökande andel förnybara energikällor kräver tillräckligt med flexibilitet. En typ av flexibilitet för framtidens elkraftsystem utgörs av flexibel el-förbrukning. Begreppet efterfrågesvar beskriver användningen av efterfrågeflexibilitet för att tillhandahålla tjänster till elkraftsystemet. För detta syfte måste aktörer på marknaden, såsom elhandlare, nätoperatörer och aggregatorer, utvärdera hur de ska interagera eller utveckla sin nuvarande interaktion med elkunder. Denna utveckling studeras från ett nuvarande- och näraframtidsperspektiv, såväl som från ett mer långsiktigt perspektiv, för att utreda aktörernas strategiska möjligheter. 

För en leverantör av efterfrågeflexibilitet är det mest ekonomiska sättet att tillhandahålla flexibilitet på elmarknaderna att delta på flera marknader samtidigt och därmed tillhandahålla multitjänster. Med fokus på de nordiska elmarknaderna utgör det samtidiga tillhandahållandet av energiarbitrage och frekvensreserver den mest ekonomiska marknadsportföljen för en leverantör med tillgångar av lagringstyp. Specifikt är de metoder som utvecklats i den ena delen av detta projekt tillämpliga för en riskobenägen leverantör som syftar till att maximera sin vinst för nästa dag genom att lägga bud på energi- och frekvensreservmarknaderna. Utöver detta, utreder den andra delen av detta projekt elkunders attityder och förväntningar med en kombinerat kvantitativt och kvalitativt tillvägagångssätt för att studera de strategiska möjligheterna för leverantörerna utifrån det kortsiktiga samt det långsiktiga perspektivet. 

Den operativa verksamheten hos en leverantör av efterfrågesvar beskrivs genom stokastisk optimering av buden under osäkerhet från priser, temperaturer, beteenden och modellfel. En generell virtuell batterimodell för samtidig budgivning på flera marknader i dag framåt är utvecklad för tre tillämpningar; Termostatstyrda laster (TCL), elektriska fordon (EV) och ett massa- och pappersbruk (PPM). Genom tillämpning av modellerna på elkraftsystem, pris, temperatur och lastdata kvantifieras potentialen och energiflexibiliteten hos de tre studerade lasttyperna. Denna forskning bidrar med beslutsstödverktyg för leverantörer av efterfrågesvar som deltar i energi- och frekvensreservmarknader (FCR-N). Huvudfokus för de utvecklade algoritmerna är att möjliggöra optimala framtida bud för en riskobenägen leverantör av efterfrågesvarunder olika osäkerhetskällor. Dessutom undersöks inverkan av marknadsparametrar såsom ledtid och avtalsperiod. 

Aktörer som interagerar med elkunder står inför en utmaning i att hantera framtida interaktion med kunder som har väldigt olika uppfattning om hur deras flexibilitet kan göras nyttig. Om vi jämför scenarier för aktörernas framtida interaktion med elkunder med den nuvarande interaktionen, där hushåll och elintensiva industrier idag utgör extremerna, ter sig dagens hantering av hushåll och elintensiva industrier inte speciellt olika längre. Den framtida interaktionen kompliceras av att aktörerna kommer behöva implementera dynamiska element i sina erbjudanden samt integrera ny teknik för information och kommunikation tillsammans med kunderna. För elintensiva industrier kommer integritet att vara en begränsande faktor för efterfrågeflexibiliteten, medan integritet är mer av ett temporärt hinder för integreringen av ny teknik med övriga kunder.

 

PublikationerVisa/dölj innehåll

Doktorsavhandling

Lars Here (2020). Demand Flexibility for the Simultaneous Provision of Multiple Services: Tapping the Potential of Controllable Electric Loads for Frequency Reserves and Energy Arbitrage.

Vetenskapliga publikationer

L. Herre, J. L. Mathieu and L. Söder, "Impact of Market Timing on the Profit of a Risk-Averse Load Aggregator," IEEE Transactions on Power Systems, 2020.

L. Herre, S. Kazemi and L. Söder, "Quantifying Flexibility of Load Aggregations: Impact of Communication Constraints on Reserve Capacity," IET Generation, Transmission & Distribution, 2020.

L. Herre, F. Tomasini, K. Paridari, L. Söder and L. Nordström, "Simplified Model of Integrated Paper Mill for Optimal Bidding in Energy and Reserve Markets," in Applied Energy, 2020.

L. Herre, B. Nourozi, M. R. Hesamzadeh, L. Söder and Q. Wang, "Provision of Multiple Services with Controllable Loads as Multi-Area Thermal Energy Storage," under review in IEEE Transactions on Power Systems.

L. Haglund, T. Kovala, and C. Lindh, “Managing complexity through business relationships: the case of the Swedish electricity market”, Int. J. Management and Decision Making, vol. 18, no. 2, pp. 209–227, 2019.

L. Herre, T. Matusevicius, J. Olausson, L. Söder, "Exploring Wind Power Prognosis Data on Nord Pool: The Case of Sweden and Denmark," IET Renewable Power Generation, 2019.

I. Dimoulkas, P. Mazidi and L. Herre, “GEFCom 2017: A simple neural network based approach to long-term probabilistic load forecasting," International Journal on Forecasting, 2018.

T. Kovala, F. Wallin and A. Hallin. “Factors influencing industrial excess heat collaborations”, Energy Procedia, 2016, 88: 595-599.

 

Konferensbidrag

L. Herre, "Impact of Imbalance Settlement System Design on Risk-Averse Energy Storage," (in 17th International Conference on European Energy Market, 2020, pp. 1-6.

Khodadadi, L. Herre, P. Shinde, R. Eriksson, L. Söder and M. Amelin, "Nordic Balancing Markets: Overview of Market Rules," in 17th International Conference on European Energy Market, 2020, pp. 1-6.

L. Herre, "Risk-Averse Aggregator of Controllable Loads as Virtual Battery Providing Multiple Services," in 17th International Conference on European Energy Market, 2020, pp. 1-6.

L. Herre, F. Tomasini and K. Paridari, "Optimal Day-Ahead Bidding of a Risk-Averse Pulp and Paper Mill in the Energy and Reserve Market," in 16th International Conference on European Energy Market (EEM), Ljubljana, 2019.

L. Herre, J. Dalton and L. Söder, "Optimal Day-Ahead Energy and Reserve Bidding Strategy of a Risk-Averse Electric Vehicle Aggregator in the Nordic Market," in 13th IEEE PowerTech 2019, 23-27 June, Milano, Italy, 2019.

J. Dalton, L. Herre, L. Söder, "Exploring the Business Case of a Risk-Averse Electric Vehicle Aggregator in the Nordic Markets," in 2nd e-Mobility Integration Symposium, Stockholm, 2018.

L. Herre, J. Mathieu, L. Söder, "The Flexibility of Thermostatically Controlled Loads as a Function of Price Notice Time," in 20th IEEE Power System Computation Conference (PSCC), Dublin, 2018.

I. Dimoulkas, L. Herre, E. Nycander and M. Amelin, "A hybrid model based on symbolic regression and neural networks for electricity load forecasting," in International Conference on the European Energy Market, EEM, 2018

L. Herre, T. Matusevicius and L. Söder, "Swedish Wind Power Forecasts: Procedure, Error Distribution and Spacio-Temporal Correlation," in 16th International Workshop on Large-Scale Integration of Wind Power into Power Systems as well as on Transmission Networks for Offshore Wind Power Plants, Berlin, 2017. (Best Paper Award)

L. Herre and L. Söder, "Enhancing market access of demand response through generation forecast updates," in 12th IEEE PowerTech, Manchester, 2017.

I. Dimoulkas, P. Mazidi and L. Herre, "EEM 2017 Forecast Competition: Wind power generation prediction using autoregressive models," in 14th International Conference on the European Energy Market (EEM), Dresden, 2017.

T. Kovala, ”This electricity price is too high for my household: Why are some households sensitive to the electricity price, when others barely are sensitive at all?” [POSTER], in IMIT PhD candidate poster competition @ 5th annual conference of ScAIEM 2017, Trondheim, 2017.

L. Herre, T. Kovala, L. Söder, C. Papahristodoulou, "A Study on the Flexibility of Electricity Consumers for the Swedish Context: Modelling, Quantification and Analysis of Notice Time," in Swedish Association for Energy Economics Conference 2016, Luleå, 2016.

L. Herre and L. Söder, "On the flexibility of electricity consumers: Introducing notice time," in 13th International Conference on the European Energy Market (EEM), Porto, 2016.

T. Kovala, “Flexibla elkunders roll i ett framtida förnyelsebart kraftsystem – Hur kommer framtidens elkunder besluta om sin elanvändning?[POSTER], in HUB 2016, Västerås, 2016.

T. Kovala, ”Deciding about electricity usage: A thesis on market incentives to steal focus from electricity consumers”, in Arctic PhD workshop at the 4th annual conference of ScAIEM 2016, Luleå, 2016.

F. Wallin, D Torstensson, T. Kovala, A. Sandberg, “Using an energy intervention framework to evaluate end-user willingness to participate in demand-response activities”, in IEEE Power and Energy Society (PES) General Meeting 2016, Boston, 2016.

T. Kovala, F. Wallin and A. Hallin, “Factors influencing industrial excess heat collaborations”, in Applied Energy Symposium and Summit 2015 (CUE2015), Fuzhou, 2015.

Personer i projektetVisa/dölj innehåll

Projektledare

Lennart Söder

Övriga projektdeltagare

  • Lars Herre
  • Tommy Kovala
  • Cecilia Lindh
  • Emilia Rovira Nordman
  • Christos Papahristodoulou
  • Fredrik Wallin

Projektpartners

  • Kungliga Tekniska högskolan (KTH)
  • Mälardalens högskola

BakgrundsinformationVisa/dölj innehåll

I Sverige finns en möjlighet att ha en mycket stor andel förnybar kraftproduktion.

Vi vet att vi måste förändra samhället för att minska koldioxidutsläppen och utsläpp av andra växthusgaser. Den absolut största källan till utsläpp av växthusgaser orsakas runt elproduktionen. Sektorn har historiskt förlitat sig på fossila energikällor (sten- och brunkol, olja och naturgas) på grund av dessa källors kortsiktiga fördel med hög energitäthet, men också med stor möjlighet att förutse och kontrollera produktionen. 

En utmaning med vind- och solkraft är att dessa kraftkällor har en varierande produktion. Om vi vill understödja övergången till ett kraftsystem drivet av förnybara energikällor är det huvudsakliga målet att utveckla möjligheten att synkronisera elproduktionen och elanvändningen.

Hur kan vi som individer stödja denna utveckling?

Ett stort antal apparater i hushållet använder stora mängder energi, vilket påverkar vårt kraftsystem när de används vid samma tidpunkt. Istället skulle användningen av dessa apparater kunna spridas ut över längre tid eller flyttas till andra tidpunkter, utan att påverka vardagens komfort. Exempelvis skulle diskmaskiner, tvättmaskiner, torktumlare, eluppvärmning och elbilar kunna användas på detta sätt. Ett antal leverantörer erbjuder redan idag apparater som är ”Smart Grid redo”. Dessa apparater har möjlighet att utnyttja sin inneboende flexibilitet och automatiskt flytta elanvändningen till tidpunkter som är ekonomiskt gynnsam för hushållet och därför också gynnsam för förnybar elproduktion i kraftsystemet. I vissa fall behövs också förändringar av elmarknaden eller nya typer av elavtal.

Hur kan detta gå till?

Om vi antar att du åker till jobbet 08:00 på morgonen, och kommer hem runt 17:00. Efter frukosten fyller du diskmaskinen och startar den. Men istället för att börja omedelbart när du startar den, väljer diskmaskinen själv när det är mest fördelaktigt att börja diska, med kravet att den ska vara färdig 17:00. Utan att påverka vardagens komfort, resulterar denna enkla lösning i en minskad börda för kraftsystemet när många apparater och hushåll deltar på liknande sätt. Andra apparater har ännu större potential än diskmaskinen. Hushållens eluppvärmning kan ensamt bidra med att flytta 7.4 GW el från tidpunkter med brist på förnybar el, alltså ungefär en tredjedel av Sveriges totala elanvändning. För att nå ett sådant gynnsamt scenario, där vi som individer kan bidra i ett framtida förnybart kraftsystem och minska våra koldioxidutsläpp, måste elmarknaden vara funktionell för detta syfte. Denna utveckling sker redan idag, men för att balanseringen och marknaden ska bli så optimal som möjligt behövs mer information kring vår möjlighet att använda el mer flexibelt, t.ex.:

  • Hur mycket elanvändning kan du förlägga tidigare eller senare vid behov?
  • Hur mycket skulle du kräva i ekonomisk kompensation för att flytta din elanvändning? Skiljer det sig beroende på tid på dygnet? (tidsberoende priselasticitet)
  • Vid vilken tid behöver diskmaskinen, tvättmaskinen, torktumlaren, osv. vara klar?
  • Om du inte vet när den behöver vara klar, när planerar du detta och kan veta det med större säkerhet?
  • Vid vilken tid kommer du behöva använda din elbil nästa gång?
  • Inom vilket temperaturområde vill du ha hushållets inomhustemperatur? 

Läs mer om FoESVisa/dölj innehåll

Taggar Visa/dölj innehåll