Develco Products in iPower

Develco Products participates in many different activities in the iPower project.

Main objectives are:

• Installation of a setup with home automation equipment and meters hooked up in a Home Area Network and connected to Ethernet through gateway at test site.
• Family moving in at test site
• Establishing a data base and data set to be used for heat demand forecasts
• Simple on/off control of heat pump with the test setup
• Implementation of more advanced control strategies based on solutions developed within iPower

Many of the test houses have been equipped with devices from Develco Products:

• ZigBee Smart Energy Ethernet Gateway
• ZigBee Home Automation PIR & Room temperature sensor, ground floor
• ZigBee Home Automation PIR & Room temperature sensor, 1st floor
• ZigBee Smart Energy Kamstrup 382, Main electricity meter
• ZigBee Smart Energy Kamstrup 382, PV electricity meter
• ZigBee Smart Energy Kamstrup 382, HP electricity meter
• ZigBee Smart Energy Kamstrup Multical 602, Heat meter
• ZigBee Home Automation On/Off relay for heat pump control

Develco Products has installed the heating equipment as well.

iPower – mere vedvarende energi via intelligent styring af distribueret elforbrug og elproduktion

Forfattere:

Søren Østergaard Jensen (leder af WP1 i iPower) og Christian Holm Christiansen, Teknologisk Institut
Henrik W. Bindner (leder af iPower), DTU CEE og Henrik Madsen, DTU Compute
Dorthe Gårdbo-Pedersen, Develco Products
Mads Lindborg, Greenwave Systems

For at nå de danske energipolitiske mål om et energisystem uden fossile brændsler i 2050, er det som bekendt nødvendigt med en massiv udbygning med ikke blot vindkraft, men også solenergi og andre vedvarende energikilder. Denne omstilling er da også godt i gang, men problemet er, at elproduktionen fra vindmøller og solcelleanlæg er meget fluktuerende. Det er en stor udfordring for driften af elsystemet, da det er nødvendigt, at produktion og forbrug hele tiden er i balance for at sikre, at elforsyningen er stabil. Det er de store termiske kraftværker, der hidtil har reguleret deres produktion for både at kunne opsuge variationer i forbruget og for at kunne træde til, hvis der opstår store fejl i systemet, som ellers vil føre til udkobling af dele af nettet. De termiske kraftværker er imidlertid ved at blive udfaset, fordi den energi de hidtil har leveret, nu bliver leveret af vindmøller. Det betyder, at det danske elnet kan blive meget ustabilt, da den reguleringsevne, som kraftværkerne har leveret, forsvinder. Hvor el i dag produceres efter behov, vil det i fremtiden blive nødvendigt, at forbruge el i forhold til hvor meget el, der produceres. Dette er en meget radikal ændring af det danske elsystem, som kræver stor fleksibilitet i alle forbrugsled for at kunne lykkedes. Denne fleksibilitet kan opnås via samarbejde med vore nabolande, ”brændstoffabrikker” (der anvender el til at producere brint og/eller berige biogas), eller store varmepumper i fjernvarmenettene, men da der forudses mange individuelle varmepumper og solcelleanlæg samt elbiler, kan det også blive nødvendigt med fleksibilitet i lavspændings-distributionsnettene ude ved de enkelte forbrugere.

Det sidste var baggrunden for bevillingen af det nationale SPIR projekt iPower med start i foråret 2011 finansieret af Det Strategiske Forskningsråd (DSF) og Rådet for Teknologi og Innovation (RTI) (i dag samlet i InnovationsFonden). iPower har løbet i 5 år og er nu nået afslutningen. Formålet med projektet var, at danske viden institutioner og dansk industri sammen skulle udvikle løsninger til at aktivere den energifleksibilitet, der er hos slutbrugerne ude i de distribuerede net. Da iPower blev startet, så vi nemlig ind i en brændende platform: massiv installation af individuelle solcelleanlæg og varmepumper samt stor udskiftning af benzin- og diseldrevne personbiler til elbiler. For at de distribuerede net skulle kunne klare denne kæmpe belastning, var der enten brug for en massiv forstærkning af elnettet, eller en intelligent styring af elnettet, så overbelastning ville blive undgået og kun mindre forstærkning ville være nødvendig. Den intelligente styring af elnettet kaldes i daglig tale Smart Grid. En udredning fra 2010 (Smart Grid Danmark, 2010) havde fastslået, at Smart Grid ville være en bedre og mere økonomisk løsning end ”business as usual” med meget mere kobber i elnettet.

Den brændende platform blev som bekendt meget hurtigt til små gløder. Der er ikke blevet installeret så mange solcelleanlæg og varmepumper som forventet, og salget af elbiler er mildest talt ikke stort. Så fra at være et panik-projekt blev iPower i stedet rettidig omhu. For skal vi nå de energipolitiske mål for 2050, er der behov for en omlægning af det danske energisystem til øget forbrug af el til bl.a. opvarmning og transport. Der er pt. ikke behov for at udnytte energifleksibilitet i danske bygninger, men på sigt forventes det, at det bliver nødvendigt at udnytte en del af den energifleksibilitet, der findes hos slutbrugeren. I andre lande er der en stigende efterspørgsel efter fleksibilitet i de distribuerede net. I Europa drejer det sig bl.a. om Norge, Tyskland og Schweiz, men også Sydafrika og Asien efterspørger løsninger.

Fleksibelt forbrug

Hvad er fleksibilitet hos slutbrugeren? Det kan f.eks. være, at elforbruget i en bolig kan udskydes i perioder med for lidt vindmøllestrøm eller i perioder med et for højt forbrug i nettet. Der er mange forskellige elforbrug i en bolig, som dels relaterer sig til boligens/husets drift og dels til husholdningen. Bygningsrelateret elforbrug er primært til HVAC, mens husholdningens elforbrug er meget forskelligt: køkkenudstyr, vask, belysning, underholdning, mm. Nogle af disse forbrug kan flyttes i tid. Det er f.eks. ofte underordnet, hvornår opvaskemaskinen kører, mens andre forbrug helt sikker ikke kan flyttes. De færreste er nok interesseret i, at fjernsynet slukker midt i en god film eller fodboldskamp, og vi vil gerne have mad, når vi er sultne.

I iPower er fleksibilitet fra andre slutbrugere også blevet undersøgt. Det drejer sig om kommercielle slutbrugere, hvor energifleksibiliteten for supermarkeders køle- og frysemontre samt airconditionanlæg i kontorer er blevet undersøgt. Dette vil dog ikke blive behandlet i denne artikel, som primært omhandler arbejdet udført i iPowers arbejdsgruppe 1 (WP1), som drejede sig om energifleksibilitet (eller demand response) i forbindelse med beboelse. Se resultaterne fra iPower WP2 for de kommercielle produkter påwww.ipower-net.dk.

Energifleksibilitet i forbindelse med beboelse

Energifleksibilitet i et hus med en varmpumpe kan opnås ved, at der lagres varme i f.eks. bygningens konstruktioner (f.eks. i murstens- og betonvægge). Varmepumpen kan, når der er mangel på el, slukkes. Temperaturen i huset vil herefter falde langsomt, indtil en nedre komforttemperatur (1-2°C under husets normale rumtemperatur) er nået. Hvor lang tid, der kan slukkes for varmepumpen, afhænger af husets varmetab og termiske masse samt vejrforhold. Hvis rumtemperaturen i huset før slukningen af varmepumpen bliver hævet til en øvre komforttemperatur (1-2°C over husets normale rumtemperatur), kan varmepumpen slukkes i endnu længere tid. Dette kræver dog, at det ikke kun er varmepumpen, der kan tændes/slukkes. Det er også nødvendigt at kunne hæve sætpunktet for termostaterne i varmesystemet, da varmepumpen ellers ikke kan komme af med varmen.

Når vi snakker om energiforbrug i bygninger, taler vi typisk om kWh, mens det er effekten (kW), der påvirker elnettet mest. Et lavenergihus med varmepumpe har et lille årligt elforbrug, men har typisk samme effektkrav som ældre huse, idet det oftest er komfuret, der har de højeste effektspidser. Derfor taler vi da også om, at vi har en kogespids i det daglige elprofil for Danmark – se figur 1. Den største effektbelastning er mellem klokken 16 og 18, hvor familierne kommer hjem og går i gang med madlavningen, samt tænder lys og underholdning, og måske sætter en vask over. Der er nok ikke det store at gøre ved, at danske familier laver mad på dette tidspunkt, men andet elforbrug kan måske udsættes i denne periode. Her tænkes primært på de to andre store el-/effektforbrug: varmepumpen og elbilen. I iPower er der primært fokuseret på, hvordan individuelle varmepumper kan styres for at opnå energifleksibilitet uden af gå på kompromis med den termiske komfort i bygningen. I den forbindelse undersøgte en arbejdsgruppe (WP6) i iPower, hvordan mennesker vil reagere på at få fjernstyret sit opvarmningsforbrug. For vil forbrugerne ikke gå med til, at noget af deres elforbrug kan styres i forhold til behovet i det omgivende net, så vil det ikke være muligt at høste energifleksibilitet fra private husstande.

Forskellige metoder til styring af varmepumper blev testet i iPower: via boligens elmåler, et såkaldt Smart Meter (Jensen et al, 2016), et home automation system (Dufour, 2013) samt avanceret prisbaseret styring, der inkluderer forudsigelse af forbrug, vejr og elpriser (Halvgaard et al, 2012, Parvizi et al, 2016 og Parvizi, 2016). Desuden blev styring af forskellige husholdningsapparater, batterier, solcelleanlæg og elbiler undersøgt i (Constanzo, 2015). Der er opnået meget nyttig viden fra disse undersøgelser. Her vil blot nogle blive givet i stikordsform. For en dybere beskrivelse henvises til de fem referencer listet i teksten ovenfor.

- for at opnå den fulde energifleksibilitet er det ikke nok kun at kunne styre varmepumpen. Man skal også have fat i varmesystemets termostater, så huset kan varmes yderligere op før en periode, hvor er er behov for at slukke varmepumpen
- der er brug for lokal intelligens i huset, som kan sikre, at varmesystemet kører fornuftigt i situationer, hvor kontakten til internettet mistes. Develco Products har på denne baggrund udviklet en ny intelligent gateway med bl.a. multiple wireless communication . Lokal intelligens er desuden nødvendig for at kunne styre varmesystemets termostater
- detaljeret forudsigelse af opvarmningsbehovet er mest nyttigt i ældre huse med stort opvarmningsbehov. I lavenergihuse er det nok at kende det samlede daglige behov, fordi store tidskonstanter betyder, at det ikke betyder så meget, hvornår opvarmningssystemet kører i løbet af dagen
- lavenergibygninger er mere energifleksible end ældre huse, men til gengæld er deres absolutte energi-/effektbehov lille
- for varmepumper bør det overvejes, om de skal dimensioneres med overkapacitet i de kolde vintermåneder, da der ellers kun vil være ringe eller ingen energifleksibilitet om vinteren
- der er blevet udviklet en metode til at beregne varmeproduktionen fra en varmepumpe ud fra målt elforbrug til varmepumpen samt temperaturen af brinen på den kolde side og fremløbstemperaturen til varmesystemet

Koordinering af fleksibelt forbrug og aggregering

Det er nødvendigt, at fleksibiliteten hos slutbrugerne bliver koordineret på en sådan måde, at den samlede fleksibilitet bliver til gavn for elsystemet. Denne koordinering sker allerede i dag via handel på forskellige elmarkeder. På disse markeder bliver el handlet, så systemet er i balance, og der er reserver (regulerkraft), så systemet kan håndtere, hvis kraftværker eller forbindelser udkobles pga. fejl. For at kunne deltage i de eksisterende markeder skal man dog kunne tilbyde store mængder af regulerkraft/fleksibilitet – i dag 10 MW (Energinet.dk, 2014).

Selv i ældre huse med stort varmebehov er det en beskeden energifleksibilitet, husene kan tilbyde set i forhold til det samlede forventede behov for energifleksibilitet i elsystemet. Den enkelte husejer kan derfor ikke alene deltage i et marked for energifleksibilitet. Der er brug for en ny aktør på elmarkedet: en aggregator. En aggregator vil have kontrakter med mange husejere (og/eller andre forbrugere med energifleksibilitet) for på den måde at kunne tilbyde markedet store klumper af energifleksibilitet. I iPower er det med held afprøvet at lade en aggregator styre 54 private varmepumper (Biegel et al, 2014).

Problemet er dog, at der i dag ikke rigtig eksisterer et marked for energifleksibilitet, der kan hindre driftsproblemer i distributionsnettene – et marked, hvor aggregatorerne kan sælge energifleksibiliteten. En prototype af et sådant marked er blevet udviklet i iPower: FLECH - Flexibility Clearing House (Harbo, 2013). FLECH gør det muligt for distributionsselskaberne, der har ansvaret for driften af distributionsnettene, at annoncere ønsker om fleksibilitet og få det leveret af en aggregator. I iPower blev det demonstreret, hvordan to aggregatorer kunne konkurrere via FLECH om at levere fleksibilitet, og hvordan forbruget efterfølgende blev reduceret med den aftalte mængde i den aftalte periode.

Men hvad får husejeren ud af at stille sin energifleksibilitet til rådighed, - ud over en god samvittighed ved at hjælpe til med at sikre et stabilt elnet baseret på vedvarende energi. Undersøgelserne i iPower WP6 viste, at det at være ”grøn” kan være en motivation for mange, mens andre mere vil se på, om der er penge i det (COWI, 2013). En undersøgelse af business casen i at styre 300.000 individuelle varmepumper viste et positivt, men lille afkast for den enkelte husejer (Stryg, 2014). Nok for lille til, at mange vil føle sig fristet til at lade en aggregator styre varmepumpen. Business casen kan dog forbedres betydeligt, hvis den nødvendige intelligens i husene ikke blot anvendes til sikring af energifleksibilitet, men også benyttes til at opnå energibesparelser ved at optimere driften af husets energisystemer.

Styringen af fleksibiliteten i huse med varmepumper vil dog ikke blive lettere i fremtiden, hvor flere og flere huse nok ikke kun vil forbruge el, men også producere el ved hjælp af individuelle solcelleanlæg. Huse, der både producer og forbruger el, kaldes Prosumere. Et eksempel på en prosumer er vist i figur 2. Med de nuværende afregningsregler for el til nettet vil der dog være et økonomisk incitament i at øge egetforbruget af solcellestrøm frem for at sælge fleksibilitet til nettet.

Arbejdet i iPower var meget koncentreret om at demonstrere, hvordan det er muligt at styre varmepumper for at opnå energifleksibilitet mere end at fastlægge, hvor meget fleksibilitet der rent faktisk er tilstede i danske bygninger. Bl.a. på den baggrund blev der igangsat et internationalt forskningsprojekt med det formål at undersøge, hvor meget energifleksibilitet, der kan opnås i bygninger: IEA EBC Annex 67 Energy Flexible Buildings, www.annex67.org. Forskningsprojektet har dansk ledelse (Teknologisk Institut), og fire danske universiteter samt et privat dansk firma deltager i projektet. Projektet løber fra juni 2015 til juni 2019.

Figur 1. Elforbrugsprofiler. Kilde: Dansk Energi.

Figur 2. Eksempel på en prosumer: EnergyFlexHouse på Teknologisk Institut (www.energyflexhouse.dk). Takket være et stort solcelleanlæg på henholdsvis 40 og 60 m² producerer husene på årsplan lige så meget elektricitet, som de bruger inkl. el til husholdningen og en elbil. Foto: Søren Østergaard Jensen.