Flexibility At What Cost? Climate, Economic, and Grid Impacts of Power–Heat Cross-Vector Flexibility in a Residential Energy System across Swedish Electricity Price Zones

Abstract

The increasing share of weather-dependent renewable energy in the European electricity system, as a consequence of the European Union’s climate ambitions, has led to increased spot price volatility, negatively affecting consumers due to unpredictability. This case study assesses how flexibility (including power-heat cross vector flexibility) in residential buildings can affect annual costs, emissions, and electricity usage from the grid during peak hours in all electricity price zones in Sweden (SE1-SE4), compared to conventional residential energy systems using district heating and power from the grid only. Local conditions, such as spot prices, outdoor temperatures, and solar irradiation, were varied for each price zone. A model was created to replicate the energy system from a demonstration site in Kungsbacka, located in the Swedish electricity price zone SE3, and it was validated using measured data before extrapolating the results for all price zones, respectively. The technologies included in the model are solar collectors, photovoltaic cells, an accumulator tank, an electric battery, a local DC-grid enabling electricity sharing between buildings, and an electric boiler, as well as connections to both the power grid and the district heating grid. The results show a potential climate benefit when assessing emissions with historical average emission factors, with significantly reduced emissions from the flexible residential energy system in all price zones. The larger power-to-heating interaction found in SE1 and SE2 resulted in the largest emission reductions. On the other hand, although annual operating costs were decreased, the necessary investments for the technologies enabling flexibility resulted in increased annual total system costs compared to the base case in all price zones. The lowest price increases were found in SE1 and SE2, where a change in discount rate (from 5% to 2%) would have enabled an overall economic benefit. The PVs, the DC grid, and the electric battery were found to be cost driving investments relative to their
system benefits. The load on the power grid was drastically increased in all price zones compared to the base case from running the electric boiler, potentially reinforcing bottlenecks in the grid. Still, the flexible energy system could aid in balancing spot prices and facilitating more renewable energy production in the energy mix. Future studies should evaluate the system under future market
conditions, include alternative district heating mixes, and apply multiple approaches for assessing emissions and grid effects to better capture system-level impacts.

Popular Abstract (Swedish)

Kan flexibilitet i hushålls energisystem underlätta energiomställningen genom att dra nytta av volatila elpriser? Analysen av vår fallstudie visar att flexibla teknologier och framför allt värmeproduktion från el kan minska fossila utsläpp och driftkostnader, men ökar elanvändningen från nätet.

Priserna på el har diskuterats frekvent de senaste åren och kraftiga prissvängningar har negativt påverkat svenska hushåll och företag på grund av oförutsägbarhet. Samtidigt förväntas volatiliteten vara här för att stanna, med mer väderbaserad och förnybar elproduktion att vänta i framtiden. Genom den här utvecklingen har flexibilitet blivit ett alltmer allmänt känt begrepp. Kan flexibilitet, alltså en effektiv och smart styrning av energiproduktion, energilagring eller efterfrågan, bidra till en mindre ansträngd plånbok, mer effektivt utnyttjande av våra elnät och samtidigt bidra till klimatnytta? Fallstudien som vi har genomfört undersöker just detta i en demonstrationsanläggning som finns i Fjärås, Kungsbacka. Dessutom undersöks hur varierande lokala förhållanden, såsom spotpriser, utomhustemperaturer och solinstrålning kan påverka resultatet genom att virtuellt förflytta systemet i Sveriges fyra elprisområden (SE1-SE4).

Våra resultat visar att flexibiliteten i de fyra undersökta flerbostadshusen kan bidra till drastiskt minskade koldioxidutsläpp och därmed bidra till en klimatnytta jämfört med ett typiskt svenskt energisystem, där el endast tas från elnätet och värme endast från fjärrvärmenätet. Driftkostnaderna blir också lägre, med besparingar på cirka 60 000 SEK (SE3-SE4) till 100 000 SEK (SE1-SE2) per år. Det som främst bidrar till både kostnadsminskningar och reducerade fossila utsläpp är värmeproduktion från el eftersom den kan ersätta det lokala fjärrvärmenätets dyrare och mer utsläppsintensiva värmeproduktion. Värme produceras lokalt av el i bostäderna när spotpriserna är tillräckligt låga och tack vare de lägre elpriserna i norr ses den största nyttan av el-värme-interaktionen i SE1 och SE2. Besparingarna i driften är dock inte tillräckliga för att täcka upp för investeringarna i de flexibla teknologierna, och den totala prislappen blir därmed mellan 4 000 SEK (SE1) och 41 000 SEK (SE4) dyrare per år.

Samtidigt bör ett varningens finger höjas för de konsekvenser av en ökad belastning på elnätet som denna typ av flexibilitet kan medföra, särskilt om den skulle implementeras i stor skala. Att öka efterfrågan på el kan leda till att dyrare elproduktion med högre utsläppsintensitet behöver kopplas in, vilket ger oönskade effekter. Dessutom hade det ökat behovet av tidskrävande och samhällsekonomiskt dyr nätutbyggnad. Å andra sidan, genom att öka efterfrågan på el när den är billig och utbudet högt kan man bidra till att skapa en säkrare investeringsmarknad för förnybar elproduktion och därmed bidra till den gröna omställningen. Avslutningsvis har flexibel värmeproduktion med el en potential att bidra till både utsläppsminskningar men också lägre kostnader, förutsatt investeringsstöd eller mer kostnadseffektiv styrning.

• author: Henningsson, Amanda and Kullander, Ina
• supervisor: Kerstin Sernhed; Per Tunestål
• organization: Department of Energy Sciences
• course: MVKM01 20252
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: demand-side flexibility, cross-vector flexibility, smart energy management system, district heating, model, residential energy system, power to heat, techno-economic assessment, BESS, TES, PVs, solar collectors, annualized life-cycle emissions, peak hour electricity
• report number: ISRN: LUTMDN/TMHP-26/5670-SE
• ISSN: 0282-1990
• language: English
• id: 9224360
• date added to LUP: 2026-03-30 13:55:53
• date last changed: 2026-03-30 13:55:53