Advanced

Demand-side flexibility in shopping centres - a case study on Väla shopping centre

Svensson, Pontus LU and Iggström, Daniel (2019) MVKM01 20191
Department of Energy Sciences
Abstract
Sweden is heading towards an energy system with less nuclear power and more intermittent energy sources. Together with the coming electrification of the transport and industry sector, this challenges the future stability of the Swedish power system. However, a part of the solution could be that consumption of electricity temporarily is adjusted to facilitate the operation of the power system, recognized as Demand-Side Flexibility (DSF). The purpose of this thesis has been to investigate the prerequisites for Väla shopping centre to offer DSF with strategic load control and operation of a Battery Energy Storage System (BESS).

A technical assessment of loads has been carried out using four important characteristics of consumer... (More)
Sweden is heading towards an energy system with less nuclear power and more intermittent energy sources. Together with the coming electrification of the transport and industry sector, this challenges the future stability of the Swedish power system. However, a part of the solution could be that consumption of electricity temporarily is adjusted to facilitate the operation of the power system, recognized as Demand-Side Flexibility (DSF). The purpose of this thesis has been to investigate the prerequisites for Väla shopping centre to offer DSF with strategic load control and operation of a Battery Energy Storage System (BESS).

A technical assessment of loads has been carried out using four important characteristics of consumer flexibility: sheddability, controllability, availability and acceptability. The ventilation system, comfort cooling system and indoor lightning were qualitatively evaluated using these flexibility parameters. In the BESS assessment, simulations of peak power reduction were conducted using a software System Advisor Model. The technical potential was evaluated for two BESS dimensions and was translated into savings using grid fee agreements from both Öresundskraft and E.ON. This analysis was complemented with a qualitative analysis of the prerequisites to also use the BESS for frequency regulation.

The results show that DSF with loads at Väla shopping centre constitutes a complex technical challenge, since existing control chains and systems would have to be retrofitted to serve new purposes. It was concluded that the ventilation system was best suited for DSF applications out of the three investigated loads. The reasons for this were the presence of controllable variable frequency drives, the predictable availability pattern with respect to operating power and the large installed nominal capacity.
The BESS simulations show that yearly peak power demand potentially could be reduced by 12-14% with BESS dimensions of 1600 kW/2000 kWh and 1200kW/1500 kWh. These BESS dimensions would generate average yearly savings of 333-284 TSEK with E.ON’s grid fee and 198-178 TSEK with Öresundskraft’s grid fee. The calculation of Pay-Back Time (PBT) and Net Present Value (NPV) indicate that E.ON’s grid fee and the smaller BESS would be more economically favorable, but that an investment in a BESS would not be profitable, neither with the current circumstances nor with a future lower BESS price. The base case indicates that the PBT of the investigated BESS dimensions lies between 33-63 years. In a hypothetical scenario with a future lower BESS price and significant price development of power components in the grid fee, the PBT becomes 10-12 years.

From the analysis of the prerequisites for providing frequency control, it was concluded that the BESS legislatively could be qualified as a balancing resource on the reserve market. Furthermore, the operational performance analysis indicated that the BESS would be available for frequency regulation during longer periods of time even if reducing peak power would be prioritized throughout the year. The main limitation for providing frequency control is the risk of increasing the yearly costs towards the network operator during a down-regulation at times when the power demand at Väla shopping centre is close to its cost determinative power level. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Sveriges elsystem står inför en rad kommande utmaningar. En lovande lösning till många av dessa är efterfrågeflexibilitet. Men vad är byggnaders möjligheter och begränsningar att vara flexibla i sin elanvändning?

Förutsättningarna för elförsörjningen i Sverige förändras i takt med att kärnkraften gradvis fasas ut och ersätts med väderberoende elproduktion i form av vind- och solkraft. Detta sker samtidigt som elektrifieringen av industri- och transportsektorn, vilket ytterligare bidrar till att öka kraven på det svenska elnätet. Att kunder på olika sätt anpassar sin förbrukning av elektricitet, så kallad efterfrågeflexibilitet, är en lösning som skulle kunna hantera flera kommande utmaningar på ett samhällsekonomiskt och miljömässigt... (More)
Sveriges elsystem står inför en rad kommande utmaningar. En lovande lösning till många av dessa är efterfrågeflexibilitet. Men vad är byggnaders möjligheter och begränsningar att vara flexibla i sin elanvändning?

Förutsättningarna för elförsörjningen i Sverige förändras i takt med att kärnkraften gradvis fasas ut och ersätts med väderberoende elproduktion i form av vind- och solkraft. Detta sker samtidigt som elektrifieringen av industri- och transportsektorn, vilket ytterligare bidrar till att öka kraven på det svenska elnätet. Att kunder på olika sätt anpassar sin förbrukning av elektricitet, så kallad efterfrågeflexibilitet, är en lösning som skulle kunna hantera flera kommande utmaningar på ett samhällsekonomiskt och miljömässigt hållbart sätt.

I denna studie har det undersökts hur man på Väla köpcentrum kan bidra med efterfrågeflexibilitet med hjälp av styrning av laster och ett batterilager. Fördelen med styrning av laster är att det i jämförelse med ett batteri, ofta är billigare sett till investeringskostnaden. Nackdelen med styrning av laster är att man riskerar påverka inomhusklimatet, och därmed försämra komforten.
Möjligheterna till att styra olika laster är väldigt beroende på vilken hård- och mjukvara som finns installerad i byggnaden. Ventilationsfläktarna visar god potential, både genom en stor sammanlagd effekt, och då det redan idag går att direkt kontrollera effektbehovet. Komfortkylan är däremot mer utmanande, då det idag inte direkt går att kontrollera effektbehovet för kylmaskinerna. Istället blir effektbehovet ett resultat av flera parametrar som inte går att påverka, som till exempel utomhustemperatur och besöksantal.

Genom att installera ett batterilager på Väla möjliggörs både besparingar och intäkter. Med ett batterilager kan toppeffekten på Väla utjämnas. Som en följd av elnäten är ansträngda under tider då många konsumerar el samtidigt har elnätsbolagen höjt priserna på effekt. Besparingar kan alltså uppnås om toppeffektbehovet sänks.

I dagsläget är däremot batterilager för dyra för att besparingarna mot lokalnätsägaren ska ge en rimlig återbetalningstid. Då batterilagret inte skulle behöva användas för topplastutjämning varje dag, studerades det också om batterilagret skulle kunna användas för att balansera elnätet. Det visar sig finnas goda möjligheter till detta. Störst möjlighet finns nattetid, då ersättningen för balanskraft också är den högsta.

Byggnader skiljer sig åt när det gäller användningsmönster, funktion, ålder och geografisk plats. Detta medför att förutsättningarna för efterfrågeflexibilitet är byggnadsspecifika. Man behöver därför studera byggnader individuellt för att reda ut de tekniska förutsättningarna.

Styrkan med studien är att metoden går att applicera på flera byggnader. Studien bidrar också med att skapa en djupare förståelse för hur man kan realisera efterfrågeflexibilitet i byggnader.

Med ett stort behov att möta kommande utmaningar i elnätet, är det tydligt att efterfrågeflexibilitets vara eller icke vara inte är en fråga om, utan istället när detta kommer att ske. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Svensson, Pontus LU and Iggström, Daniel
supervisor
organization
course
MVKM01 20191
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
demand-side flexibility, shopping centre, load control, battery energy storage system, peak power reduction, frequency regulation. 
report number
LUTMDN/TMHP-19/5439-SE
ISSN
0282-1990
language
English
id
8987974
date added to LUP
2019-06-26 07:57:37
date last changed
2019-06-26 07:57:37
@misc{8987974,
  abstract     = {Sweden is heading towards an energy system with less nuclear power and more intermittent energy sources. Together with the coming electrification of the transport and industry sector, this challenges the future stability of the Swedish power system. However, a part of the solution could be that consumption of electricity temporarily is adjusted to facilitate the operation of the power system, recognized as Demand-Side Flexibility (DSF). The purpose of this thesis has been to investigate the prerequisites for Väla shopping centre to offer DSF with strategic load control and operation of a Battery Energy Storage System (BESS).

A technical assessment of loads has been carried out using four important characteristics of consumer flexibility: sheddability, controllability, availability and acceptability. The ventilation system, comfort cooling system and indoor lightning were qualitatively evaluated using these flexibility parameters. In the BESS assessment, simulations of peak power reduction were conducted using a software System Advisor Model. The technical potential was evaluated for two BESS dimensions and was translated into savings using grid fee agreements from both Öresundskraft and E.ON. This analysis was complemented with a qualitative analysis of the prerequisites to also use the BESS for frequency regulation.

The results show that DSF with loads at Väla shopping centre constitutes a complex technical challenge, since existing control chains and systems would have to be retrofitted to serve new purposes. It was concluded that the ventilation system was best suited for DSF applications out of the three investigated loads. The reasons for this were the presence of controllable variable frequency drives, the predictable availability pattern with respect to operating power and the large installed nominal capacity.
The BESS simulations show that yearly peak power demand potentially could be reduced by 12-14% with BESS dimensions of 1600 kW/2000 kWh and 1200kW/1500 kWh. These BESS dimensions would generate average yearly savings of 333-284 TSEK with E.ON’s grid fee and 198-178 TSEK with Öresundskraft’s grid fee. The calculation of Pay-Back Time (PBT) and Net Present Value (NPV) indicate that E.ON’s grid fee and the smaller BESS would be more economically favorable, but that an investment in a BESS would not be profitable, neither with the current circumstances nor with a future lower BESS price. The base case indicates that the PBT of the investigated BESS dimensions lies between 33-63 years. In a hypothetical scenario with a future lower BESS price and significant price development of power components in the grid fee, the PBT becomes 10-12 years. 

From the analysis of the prerequisites for providing frequency control, it was concluded that the BESS legislatively could be qualified as a balancing resource on the reserve market. Furthermore, the operational performance analysis indicated that the BESS would be available for frequency regulation during longer periods of time even if reducing peak power would be prioritized throughout the year. The main limitation for providing frequency control is the risk of increasing the yearly costs towards the network operator during a down-regulation at times when the power demand at Väla shopping centre is close to its cost determinative power level.},
  author       = {Svensson, Pontus and Iggström, Daniel},
  issn         = {0282-1990},
  keyword      = {demand-side flexibility,shopping centre,load control,battery energy storage system,peak power reduction,frequency regulation. },
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Demand-side flexibility in shopping centres - a case study on Väla shopping centre},
  year         = {2019},
}