Simulation and life cycle cost oriented optimization of electric powered building supply with time varying electricity prices. Ben Krämer, M.Sc.

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1 Simulation and life cycle cost oriented optimization of electric powered building supply with time varying electricity prices Ben Krämer, M.Sc. Institute of Energy Efficiency and Sustainable Building RWTH Aachen

2 Energy Transition Final energy consumption Divided by sector Industry 29% Development of installed power for electric power generation from renewable energy sources since 1998 Trade & Services 15% Private households 28% Traffic & Transportation 28% Divided by usage in private households Lighting 2% DHW 18% Space heating 80% Source: Federal Ministry for Economic Affairs and Energy 2

3 Energy Transition Development of the power grid Demand-oriented energy generation Generation-oriented energy consumption Source: BMWi, Ein Strommarkt für die Energiewende 3

4 Energy Transition Time varying electricity prices Financial incentive for end consumers to shift loads into times with a higher availibility of renewable energy sources Reduction of overcapacities Increase of the share of renewable energy sources in the total energy energy consumpton Ideal tariff structure Energiewirtschaftsgesetz EnWG 40 Abs. 5: Lieferanten haben, soweit technisch machbar und wirtschaftlich zumutbar, für Letztverbraucher von Elektrizität einen Tarif anzubieten, der einen Anreiz zu Energieeinsparung oder Steuerung des Energieverbrauchs setzt. Tarife im Sinne von Satz 1 sind insbesondere lastvariable oder tageszeitabhängige Tarife. 4

5 Target of the work Development of Control methods to optimize the electric powered building supply by using time varying electricity prices. 1) Isolated investigation of the electricity price 2) Reactive control methods 3) Focus on space heating Development and simulation was done in Matlab Simulink and using the CARNOT-Toolbox. Source: Viessmann 5

6 Time varying electricity prices ) Conventional tariff 2) EnerBest Strom Smart 3) Dynamic EEG-Taxing ,81 75 /MWh Preis in Cent/kWh /MWh ,78 35 /MWh :00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00. 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 Dynamische EEG-Umlage Bielefeld Wochentag in ct/kwh Spotmarket aktuelle EEG-Umlage Bielefeld Wochenende in ct/kwh Wärmepumpentarif Haushaltsstromtarif 6

7 Building Models The Building OFH built in 1970 Location: Climaregion 4 (DWD) Berlin Area: 140 m² Heating energy demand: ca kwh ca. 160 kwh/(m²*a) Stromnetz Haushalt 7

8 Building Model 1/3 Monovalent System Heat Pump: Vitocal 350 BWH ,2 kw at B2/W55 Max. outgoing Temperature: 65 C Stromnetz Controller Haushalt Heat source: Geothermal energy 2 U-Tubes á 95m 8

9 Building Model 2/3 Monovalent System with Photovoltaik Photovoltaik 8 kwp Orientation: 180 South ~ Slope of the roof: 25 Stromnetz Controller Haushalt Inverter: Efficiency 97% 9

10 Building Model 3/3 Bivalent System HP-Gas-Hybrid-Unit Vitocaldens 222-F HP: 9,1 kw at A2/W55 Gas heating: 19 kw Maximale Vorlauftemperatur: 55 C Heat Source: Air Mode of operation: Bivalent-alternativ 10

11 Control Method 1/3 Manual Control Method Strompreis Stromnetz Controller Haushalt Zeit 11

12 Control Method 2/3 Linking of COP and price signal Dynamic electricity price Stromnetz Controller Haushalt 10 Preis für thermische Energie :00 3:00 6:00 9:00 12:0 COP of the heat pump 12

13 Control Method 3/3 Automatic Bivalent Point Adaption 13

14 Overview Building Models ~ Stromnetz Controller Haushalt Stromnetz Controller Haushalt Monovalent Photovoltaik Bivalent Price tariffs. Wärmepumpentarif Bielefelder Tarif Dynamische EEG-Umlage Control Methods Manual Control Method COP-Price Linking Automatic Bivalent Point Adaption Parametervariations Parametervariations 14

15 Results Thermal comfort In-door Temperature for one year 15

16 Results Shifting of loads Share in different price zones 60 Anteil des Energiebezugs in den verschiedenen Preisstufen Anteil in % ct/kwh 28,31 ct/kwh 25,45 ct/kwh 21,1 ct/kwh Ohne Anpassung Manuell V1 Manuell V2 Manuell V3 Manuell V4 COP-Preis V1 COP-Preis V2 COP-Preis V3 COP-Preis V4 16

17 Results Shifting of loads Total costs for Bielefelder Tarif Gesamtbetriebskosten der Wärmepumpe 1980, , , ,00 Kosten in /a 1920, , , , , , , , , , , , , ,00 ohne Anp. Ohne Anpassung Manuell V1 Manuell V2 Manuell V3 Manuell V4 COP-Preis V1 COP-Preis V2 COP-Preis V3 COP-Preis V4 17

18 Conclusion and Outlook No financial advantage representable under the given boundary conditions ~ Ø Elecricity Price Stromnetz Reduced up to 9% Controller Haushalt Expansion of influencing factors: 1) User behaviour 2) Weather 3) (Price Signal) Stronger fluctuating price signals Heating losses Increased up to 54% 18

19 Backup 19

20 Ergebnisse Verlagerung der Lasten Preisstufenverteilung beim Spotmarket Tarif Energiebezug in den verschiedenen Preisstufen. Ohne Anpassung V1 V2 V3 V4 (7,0 6,0) (6,0 5,0) (5,0 4,0) (3,7 3,2) PREISSTUFEN IN CENT/KWH 20

21 PV-System Einfluss der PV-Anlage auf die Regelungsmethoden Kombinierter Preis Spotmarket PV-Leistung PREIS IN CT/KWH PV-LEISTUNG IN KW 21

22 Simulation Übersicht Simulationsmodell in Matlab Simulink 22

23 Vollkostenvergleich Gesamtannuitäten Gesamtannuitäten WP-Tarif Bielefelder Tarif Spotmarket Tarif Annuität in /a Kapitalegebundene Kosten Bedarfsgebundene Kosten Betriebsgebundene Kosten 23

24 Ergebnisse Verlagerung der Lasten Preisstufenverteilung beim Bielefelder Tarif Einheit Ohne Anpassung COP-Preis V1: 7,0-6,0 COP-Preis V:2 6,0-5,0 COP-Preis V3: 5,0-4,0 COP-Preis V4: 3,7-3,2 Wärmemenge WP kwh Stromverbrauch WP kwh JAZ der WPA - 3,48 2,84 3,06 3,29 3,48 Stromkosten WP 1.434, , , , ,63 Wärmeverluste Pufferspeicher kwh Mittlere Speichertemperatur C 30,67 47,97 43,70 38,29 32,68 Ø Arbeitspreis WP Ct/kWh_el 18,90 18,32 18,05 18,14 18,59 Ø Preis für Wärme Ct/kWh_th 5,43 6,45 5,89 5,51 5,34 Stromverbrauch Solepumpe kwh Stromkosten Solepumpe 28,73 34,81 31,59 29,39 28,63 Stromverbrauch Haushalt kwh Stromkosten Haushalt TWW Energieverbrauch kwh Wärmeverluste TWW-Speicher kwh Grundpreis Stromtarif Gesamtkosten pro Jahr 2.640, , , , ,26 24

25 Bivalentes System Automatische Bivalenzpunktadaption beim Bielefelder Tarif Einheit Ohne Anpassung Adaptiver Bivalenzpunkt Wärmemenge WP kwh Gesamtstromverbrauch WP kwh Stromkosten WP 1.981, ,29 JAZ der WPA - 2,98 3,43 Wärmemenge Gas kwh Arbeitspreis Gas Cent/kWh 6,77 6,77 Kosten Gas 192,73 737,88 Gesamtanteil WP % 89,47 59,70 Gesamtanteil Gas % 10,53 40,30 Jahresheizenergieverbrauch kwh Wärmeverluste Pufferspeicher kwh Mittlere Speichertemperatur C 30,67 30,67 Ø Arbeitspreis WP Ct/kWh_th 24,41 23,14 Ø Preis für Wärme Ct/kWh_th 8,19 6,75 Stromverbrauch Haushalt kwh Stromkosten Haushalt 1.384, ,75 TWW Energieverbrauch kwh Wärmeverluste TWW-Sp. kwh Grundpreis Stromtarif Gesamtkosten pro Jahr 3.848, ,93 25

26 Stromtarife 1/3 Konstante Tarife ,81 Preis in Cent/kWh , :00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 Wärmepumpentarif Haushaltsstromtarif Quelle: Bundesnetzagentur 26

27 Stromtarife 2/3 EnerBest Strom Smart Bielefelder Tarif Preis in Cent/kWh :00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 Bielefeld Wochentag in ct/kwh Bielefeld Wochenende in ct/kwh 27

28 Stromtarife 3/3 Spotmarket mit dynamischer EEG-Umlage /MWh Preis in /MWh /MWh Dynamische EEG-Umlage Spotmarket aktuelle EEG-Umlage 28

29 Regelungsmethoden 1/3 Manuelle Regelung Zone 1 Zone 2 Zone :00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 Bielefeld Wochentag in ct/kwh Bielefeld Wochenende in ct/kwh 29

30 Regelungsmethoden 2/3 COP-Strompreis Kopplung 10 Preis für thermische Energie :00 3:00 6:00 9:00 12:0 30

31 Regelungsmethoden 2/3 COP-Strompreis Kopplung virtueller COP realer COP 31

32 Fazit Lastverschiebung erfolgreich durchschnittlicher Arbeitspreis gesunken Durch zusätzlichen Energieeintrag steigen die Wärmeverluste Flexibilität der Stromtarife zu gering Keine nennenswerte Einsparung der Gesamtbetriebskosten realisierbar Wärmeverluste im Pufferspeicher Gesamtbetriebskosten Durchschnittlicher Arbeitspreis WP Häufigkeit der Regelanwendung 32

33 Energy Transition Electric powered building supply Heat Pump = [ ] [ ] =,, [ ] [ ] Source: Bundesverband Wärmepumpen e.v. (bwp) 33

34 Klimawandel Weltklimagipfel 2015 Quelle: Zeit Begrenzung der Erderwärmung auf 2 Kelvin 34