Συνεισφορά των αντλιών θερμότητας στη ζήτηση ανταπόκρισης:μια μελέτη περίπτωσης μιας κατοικίας συν-ενέργειας
Οι αγορές ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει να διατηρούν την ισορροπία μεταξύ παραγωγής ενέργειας και κατανάλωσης ενέργειας. Οι εταιρείες κοινής ωφέλειας ολοένα και περισσότερο πρέπει να αντιμετωπίζουν τις απαιτήσεις αιχμής σε περιορισμένα δίκτυα, επομένως η ρύθμιση της χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας είναι κρίσιμης σημασίας.
Οι διακοπές ρεύματος συμβαίνουν εάν η προσφορά δεν είναι σε θέση να καλύψει τη ζήτηση, η οποία μπορεί να λυθεί είτε με επενδύσεις σε νέους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής και γραμμές μεταφοράς είτε με μείωση της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας. Ωστόσο, η πρώτη επιλογή μπορεί να μην είναι οικονομικά εφικτή εάν οι κρίσιμες περίοδοι συμβαίνουν μόνο λίγες ώρες το χρόνο. Η αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα θα μπορούσε να είναι μια λύση, αλλά παρόλο που επί του παρόντος βρίσκονται σε εξέλιξη συνεχείς πρόοδοι, εξακολουθεί να είναι μια περίπλοκη και δαπανηρή εργασία.
Τα τελευταία χρόνια, έχει υπάρξει μια εξέλιξη από τα συμβατικά ηλεκτρικά δίκτυα σε Έξυπνα Δίκτυα. Δύο από τους βασικούς στόχους σε ένα Έξυπνο Δίκτυο είναι η ενίσχυση της σταθερότητάς του σε περιόδους πίεσης από την άποψη της χρησιμότητας και η επίτευξη εξοικονόμησης κόστους από την πλευρά του καταναλωτή. Για την επίτευξη των στόχων ενός Έξυπνου Δικτύου, μία από τις κύριες έννοιες που χρησιμοποιούνται είναι η Διαχείριση από την πλευρά της ζήτησης (DSM), ένας παγκόσμιος όρος που περιλαμβάνει μια ποικιλία δραστηριοτήτων όπως η διαχείριση φορτίου, η ενεργειακή απόδοση ή η εξοικονόμηση ενέργειας.
Το Demand Response (DR), ένα υποσύνολο του DSM, ορίζεται από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ ως «ένα τιμολόγιο ή ένα πρόγραμμα που δημιουργήθηκε για να παρακινήσει αλλαγές στη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας από καταναλωτές τελικής χρήσης, ως απόκριση στις αλλαγές στην τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας με την πάροδο του χρόνου. ή για την παροχή πληρωμών κινήτρων που έχουν σχεδιαστεί για να προκαλέσουν χαμηλότερη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας σε περιόδους υψηλών τιμών αγοράς ή όταν τίθεται σε κίνδυνο η αξιοπιστία του δικτύου». Τα προγράμματα DR επιτρέπουν στους καταναλωτές να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην εξισορρόπηση της προσφοράς και της ζήτησης μειώνοντας ή μετατοπίζοντας την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Αν και επί του παρόντος η έννοια του DR εφαρμόζεται κυρίως σε σχέση με το ηλεκτρικό δίκτυο, παρόμοια οφέλη μπορούν επίσης να ληφθούν από τα συστήματα τηλεθέρμανσης, ειδικά εάν υπάρχουν διαθέσιμες αντλίες θερμότητας για τη σύνδεση των τομέων ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας (σύζευξη τομέα).
Καθώς τα κτίρια ευθύνονται για μεγάλο μέρος της συνολικής κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας στις περισσότερες χώρες, είναι κρίσιμα στις προσπάθειες για την επίτευξη της τόσο αναγκαίας λειτουργικής ευελιξίας στο δίκτυο. Επιπλέον, έχουν μια θερμική μάζα που παρέχει αδράνεια, που χρειάζεται λίγο χρόνο για να ζεσταθούν ή να κρυώσουν. Όπως και άλλες τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας, αυτή η εγγενής ιδιότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αποθήκευση ενέργειας σε περιόδους αιχμής και για προθέρμανση ή προψύξη του κτιρίου, αλλά είναι διαθέσιμη χωρίς πρόσθετο κόστος επένδυσης. Με το σωστό σύστημα ελέγχου, μια ηλεκτρική αντλία θερμότητας θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί με ευελιξία ανάλογα με τις συνθήκες του δικτύου, χωρίς να διακυβεύεται σημαντικά η θερμική άνεση των επιβατών και να συμβάλλει στη μείωση των φορτίων αιχμής.
Αυτή ήταν η πρόταση αυτής της μελέτης, η οποία ανέλυσε τα πιθανά οφέλη από τη λειτουργία της αντλίας θερμότητας μιας κατοικίας plus-energy στη νότια Γερμανία που συμμετείχε σε μια δυναμική αγορά τιμών, επωφελούμενη από τη θερμική ικανότητα αποθήκευσης του κτιρίου. Αναλύθηκε ο αντίκτυπος των διαφορετικών δυναμικών στρατηγικών τιμολόγησης σε διάφορες πτυχές:εξοικονόμηση κόστους, άνεση εσωτερικού χώρου, κατανάλωση αντλίας θερμότητας, μείωση της χρήσης αντλίας θερμότητας κατά τις ώρες αιχμής και αναλογία φωτοβολταϊκής ενέργειας ιδιοκατανάλωσης του κτιρίου. Ο προτεινόμενος ελεγκτής θα μπορούσε να διαχειρίζεται αυτόματα την ενεργοποίηση του HP ως απόκριση στις αλλαγές τιμών, έτσι ώστε να επιτυγχάνεται εξοικονόμηση κόστους και να μειωθεί η υπερφόρτωση στο δίκτυο κατά τις περιόδους αιχμής μετατοπίζοντας τα φορτία από περιόδους αιχμής σε περιόδους εκτός αιχμής. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε μέσω προσομοίωσης με τη χρήση του ευρέως γνωστού λογισμικού TRNSYS, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για τη μοντελοποίηση του κτιρίου και του συστήματος παροχής. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε επικύρωση του μοντέλου χρησιμοποιώντας μετρήσεις του πραγματικού συστήματος.
Δεκαέξι διαφορετικές στρατηγικές προσομοιώθηκαν για τρία διαφορετικά σενάρια θερμοκρασίας σημείου ρύθμισης, χρησιμοποιώντας δεδομένα των τιμολογίων σε μια αγορά της επόμενης ημέρας. Χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικά όρια τιμών, σταθερά ή μεταβλητά, τα οποία είτε περιόρισαν τη χρήση της αντλίας θερμότητας κατά την κανονική της λειτουργία είτε επέβαλλαν την ενεργοποίησή της. Θεωρήθηκαν επίσης τα όρια θερμοκρασίας για την αποφυγή υπερθέρμανσης.
Το παρακάτω σχήμα αποκαλύπτει διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας ανάλογα με την επιλεγμένη στρατηγική, δείχνοντας την εσωτερική θερμοκρασία της προσομοίωσης καθώς και τα όρια τιμής και τους χρόνους στους οποίους ενεργοποιήθηκαν οι αντλίες θερμότητας σε κάθε περίπτωση. Για παράδειγμα, στη στρατηγική 7 η αντλία θερμότητας λειτουργούσε πάντα εάν η τιμή ήταν χαμηλότερη από 21 c€/kWh και η εσωτερική θερμοκρασία ήταν χαμηλότερη από 21 °C, ενώ στη στρατηγική 8 το όριο τιμής αυξανόταν έως και 23 c€/kWh. Αντίθετα, η στρατηγική 15 διατήρησε το ίδιο όριο θερμοκρασίας, αλλά σε αυτήν την περίπτωση, η αντλία θερμότητας λειτουργούσε πάντα εάν η τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας ήταν εντός του χαμηλότερου 25% της ημέρας. Αυτές οι στρατηγικές είναι δυνατές λόγω του γεγονότος ότι η αγορά της επόμενης ημέρας επιτρέπει, όπως υποδηλώνει το όνομά της, να γνωρίζουμε τις τιμές της προηγούμενης ημέρας.
Εξήχθησαν διάφορα συμπεράσματα. Σε σύγκριση με τη βασική περίπτωση (τον τρόπο με τον οποίο ελέγχεται το πραγματικό νοικοκυριό), θα μπορούσε να επιτευχθεί εξοικονόμηση κόστους έως και 25% για την ενέργεια που χρησιμοποιείται για τη θέρμανση του κτιρίου χρησιμοποιώντας βέλτιστες στρατηγικές και ταυτόχρονα αυξάνοντας την αναλογία ιδιοκατανάλωσης και δεν έχει σχεδόν καμία επίδραση στη θερμική άνεση. Τα αποτελέσματα έδειξαν επίσης ότι θα πρέπει να χρησιμοποιούνται δυναμικά όρια τιμών αντί για σταθερά κατώφλια τιμών, τα οποία θα μπορούσαν να προκαλέσουν χαμηλές ενεργοποιήσεις της αντλίας θερμότητας ή να υπερθερμάνουν το κτίριο πάνω από τα όρια άνεσης. Εκτός από αυτά τα οφέλη, οι προτεινόμενες βέλτιστες στρατηγικές πέτυχαν σημαντικές μειώσεις αιχμής στο δίκτυο, καθώς οι αντλίες θερμότητας χρησιμοποιούνταν κυρίως σε περιόδους χαμηλής αιχμής.
Οι στρατηγικές που αναλύθηκαν υπογράμμισαν επίσης τη σημασία του να γνωρίζουμε πόσο είναι πρόθυμοι οι χρήστες να θυσιάσουν την άνεσή τους για να επιτύχουν εξοικονόμηση πόρων:εάν αποφασιστεί μια ανοχή θερμικής δυσφορίας, αυτή η μελέτη παρέχει απαντήσεις για την εκτίμηση της εξοικονόμησης που μπορεί να επιτευχθεί, βοηθώντας στη λήψη αποφάσεων . Τα αποτελέσματα, επομένως, αποδεικνύουν τα μεγάλα οφέλη από τη χρήση αντλιών θερμότητας και τη θερμική ικανότητα αποθήκευσης των κτιρίων μαζί με δυναμικές στρατηγικές τιμολόγησης σε ένα πλαίσιο DR.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Contributions of heat pumps to Demand Response:a case study of a plus-energy dwelling, δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Applied Energy. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Laura Romero Rodríguez, José Sánchez Ramos και Servando Álvarez Domínguez από το Πανεπιστήμιο της Σεβίλλης και Ursula Eicker από το Πανεπιστήμιο Εφαρμοσμένων Επιστημών της Στουτγάρδης.
