Analysis on the role of battery storage solutions in the optimal design of decentralized energy system structures

Abstract

En el contexto de la transición energética el paradigma de uso y consumo de energía está cambiando. El objetivo es mejorar la eficiencia global a la vez que se incrementa el uso de fuentes renovables. En este sentido ya se han implementado cambios en la legislación en Europa, y se espera que los cambios se multipliquen a medida que se introducen más medidas políticas. Para mejorar la eficiencia y autosuficiencia energéticas, el uso de sistemas de almacenamiento electroquímico (baterías) es una opción disponible que ofrece una gran flexibilidad. Sin embargo debido a sus altos costes fijos, la decisión de adoptar no es inmediata. Para aclarar esta decisión de inversión se ha desarrollado en este trabajo un modelo matemático de un sistema de baterías y se ha implementado en una herramienta de optimización para edificios y distritos. La herramienta se encuentra en desarrollo en el Institut fúr Hochspannungstechnik de la RWTH Aachen, y permite la optimización multicriterio en cuanto a costes y emisiones, considerando un gran abanico de opciones para mejora de la eficiencia. La aplicación resulta en un diseño de instalación y un plan de operación óptimos de una combinación de recursos energéticos distribuidos, como generadores renovables, así como renovaciones a los edificios. Para lograr un modelo más realista del sistema, se ha desarrollado e implementado un modelo de la red eléctrica de distribución. Esto permite evaluar los resultados técnica y económicamente no solamente a nivel individual de cada edificio, sino también el impacto de baterías en la flexibilidad de la red. Los resultados muestran que el coste de baterías es demasiado alto para ser adoptado de manera económica para autoconsumo. Por otra parte se valida la aplicación de baterías para aliviar sobrecarga de líneas cuando se usan de manera global por parte de un operador de red. Los resultados sugieren que sistemas de almacenamiento centralizados para apoyar la red eléctrica son una alternativa económicamente razonable a los sistemas domésticos.In the course of the energy transition the paradigm of energy usage is changing. The aim is to improve overall energy efficiency and to increase the share obtained from renewable sources. In this sense changes have already been implemented in legislation in Europe, and they will progressively increase as more measures are introduced into policy. To achieve efficiency and self-sufficiency the use of Battery Storage Systems is an available option that offers a high degree of flexibility. However due to the high investment costs, the decision to adopt is not straightforward. In order to make such an investment decision transparent a mathematical model of BSS technology is developed and integrated in a larger energy optimization tool for buildings and neighborhoods in the present thesis. The tool, under development at the Institute for High Voltage Technology of RWTH Aachen, allows for multicriteria optimization in terms of costs and emissions, in consideration of a large portfolio of optional efficiency measures. The output is an optimal installation and operation of a combination of distributed energy resources, such as renewable energies, while also considering, building renovations. To achieve a more accurate model of the system, an electric grid model is developed and implemented in the optimization tool. This additionally allows for a technical and economic analysis of BSS not only in behind-the-meter applications, but also as a tool for distribution grid level flexibility. The results show that BSS systems are yet too expensive to be adopted, with the target of increasing self-sufficiency. Additionally they show that BSS can alleviate line overloading when owned and operated by the grid operator. The results suggest that central storage systems offer a sensible economic alternative to domestic storage systems for the purpose of relieving grid load.