Cost-optimal energy system renovation methods of a Nordic oil-heated townhouse aiming for carbon neutrality
Meriläinen, Altti (2023)
Diplomityö
Meriläinen, Altti
2023
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202301306548
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202301306548
Tiivistelmä
This thesis investigates the conversion of a Nordic oil-heated townhouse into a carbon-neutral one by using two different energy system alternatives: an on-grid system including solar photovoltaics (PV) and a battery energy storage system (BESS), and an off-grid system including, in addition to the previous ones, wind power and a hydrogen energy storage system (HESS). The energy system is based on five different energy efficiency (EE) improvement alternatives (including, for example, different heat pumps and their dimensioning principles), whose electricity demand is to be covered as cost-effectively as possible with the two electricity system alternatives.
The cost-optimal dimensioning and control of the system components are based on the minimization of the 30-year life-cycle cost (LCC) and the work is carried out using hourly level simulation models developed in MATLAB and Microsoft Excel. The hourly data used in the simulations consists of electricity spot price data for 2020–2022, measured electricity consumption, simulated power generation, and simulated heat demand.
It was observed that an off-grid system would achieve a 30-year LCC of 2.3 million euros at the lowest. On the other hand, an on-grid system could reach a 30-year LCC of 93–710 thousand euros, depending on the electricity spot price profile used, making it a significantly more profitable option. A residential BESS was found to be profitable for the first time at the 2022 electricity spot price. In addition, the cost-optimized solar PV capacity has increased more than sevenfold between 2020 and 2022. Tässä diplomityössä tutkitaan pohjoismaisen öljylämmitteisen rivitalon muuntamista hiilineutraaliksi hyödyntäen kahta eri energiajärjestelmävaihtoehtoa: on-grid (verkkoon kytkettyä) järjestelmää, joka koostuu aurinkosähköstä ja akkuenergiavarastosta ja off-grid (verkkoon kytkemätöntä) järjestelmää, joka koostuu edellisten lisäksi myös tuulivoimasta ja vetyenergiavarastosta. Energiajärjestelmä perustuu viiteen eri energiatehokkuuden parannusvaihtoehtoon (mukaan lukien mm. erilaiset lämpöpumput ja niiden mitoitusperiaatteet), joiden sähkön tarve pyritään kattamaan mahdollisimman kustannustehokkaasti näillä kahdella eri järjestelmävaihtoehdolla.
Järjestelmäkomponenttien kustannusoptimaalinen mitoitus ja ohjaus perustuvat 30 vuoden elinkaarikustannusten minimoimiseen ja työ suoritetaan MATLAB- ja Microsoft Excel-ohjelmissa kehitetyillä simulaatiomalleilla. Simulaatioissa käytettävä tuntidata koostuu sähkön spot-hinnoista vuosilta 2020–2022, mitatusta sähkönkulutuksesta sekä simuloidusta sähköntuotannosta ja lämmöntarpeesta.
Työssä havaittiin, että off-grid järjestelmällä voidaan saavuttaa alimmillaan 2,3 miljoonan euron 30 vuoden elinkaarikustannus, kun taas on-grid järjestelmällä vastaava kustannus voisi olla 93–710 tuhatta euroa käytetystä sähkön hintaprofiilista riippuen tehden siitä huomattavasti kannattavamman vaihtoehdon. Kotitalousakku todettiin ensimmäistä kertaa kannattavaksi vuoden 2022 sähkön spot-hinnalla. Lisäksi kustannusoptimoitu aurinkosähkökapasiteetti on kasvanut yli seitsenkertaiseksi vuosien 2020 ja 2022 välillä.
The cost-optimal dimensioning and control of the system components are based on the minimization of the 30-year life-cycle cost (LCC) and the work is carried out using hourly level simulation models developed in MATLAB and Microsoft Excel. The hourly data used in the simulations consists of electricity spot price data for 2020–2022, measured electricity consumption, simulated power generation, and simulated heat demand.
It was observed that an off-grid system would achieve a 30-year LCC of 2.3 million euros at the lowest. On the other hand, an on-grid system could reach a 30-year LCC of 93–710 thousand euros, depending on the electricity spot price profile used, making it a significantly more profitable option. A residential BESS was found to be profitable for the first time at the 2022 electricity spot price. In addition, the cost-optimized solar PV capacity has increased more than sevenfold between 2020 and 2022.
Järjestelmäkomponenttien kustannusoptimaalinen mitoitus ja ohjaus perustuvat 30 vuoden elinkaarikustannusten minimoimiseen ja työ suoritetaan MATLAB- ja Microsoft Excel-ohjelmissa kehitetyillä simulaatiomalleilla. Simulaatioissa käytettävä tuntidata koostuu sähkön spot-hinnoista vuosilta 2020–2022, mitatusta sähkönkulutuksesta sekä simuloidusta sähköntuotannosta ja lämmöntarpeesta.
Työssä havaittiin, että off-grid järjestelmällä voidaan saavuttaa alimmillaan 2,3 miljoonan euron 30 vuoden elinkaarikustannus, kun taas on-grid järjestelmällä vastaava kustannus voisi olla 93–710 tuhatta euroa käytetystä sähkön hintaprofiilista riippuen tehden siitä huomattavasti kannattavamman vaihtoehdon. Kotitalousakku todettiin ensimmäistä kertaa kannattavaksi vuoden 2022 sähkön spot-hinnalla. Lisäksi kustannusoptimoitu aurinkosähkökapasiteetti on kasvanut yli seitsenkertaiseksi vuosien 2020 ja 2022 välillä.