Distributed Energy Systems Approaches for systems optimisation and Tools Pierre PICARD EFFICACITY Project Manager ENGIE R&D SESO 2015 International Thematic Week ``Smart Energy and Stochastic Optimization'' 1
Summary : from HVAC to MATHS 1. EFFICACITY 2. New energy systems 3. «Optimisation» for photovoltaïc systems 4. «Optimisation» for cogeneration systems -> Research approches : Romain et Vincent 2
EFFICACITY, the Institute for Energy Transition dedicated to the urban sector, started operation in 2014 in Marne-La-Vallée Context : In France, the urban sector represents 2/3 of energy consumptions and of greenhouse gas emissions For French large cities only (+ 100 000 inhab) : 10% reduction in energy consumption = savings of to 3 Bn/year 3
Centralized Electrical Productions HTA HTB BT D après J.-B. Bouvenot (INSA)
Renewables and Distributed Electrical Productions D après J.-B.Bouvenot (INSA)
2. Smart Energy -> Smart Networks in the city Energy Network Balancing Production /Consumption Storage News Opportunities Electricity Minute Electrical Storage Peak shaving, digital, Photovoltaïc Gas Winter/Summer Provided by gas network CHP District heating Day/Season Thermal storage Mixed productions (solar), Waste heat recovery A booming field for «optimisation problems» : multi-level 8
2. Smart Energy French context Deregulated sector : separate organisation of Utilities Production/transportation/distribution/storage/services End of regulated tariffs (2015), New Capacity market Reliable electrical network : Few shortages -> «comfort» for user Relatively Low electrical tariffs : 80% nuclear production Low incentive for investment in energy efficiency Tariffs increases are expected Increasing public awareness : green value of buildings Tendancy for new buildings : Lower energy consumption Lower peak demand. but connection to network Renewables mandatory Smart metering devices deployment : Linky, Gazpar 9
2. Smart Energy French context Actor «Optimisation» criterion Impact of Peak period Interest for Distributed Energy Utility Min CAPEX Heavy investments Opportunities for mixed productions Building owner Min CAPEX /Min OPEX Energy management systems, Occupants behaviour Self-Consumption CHP, PV Building investor Min CAPEX Not concerned If mandatory End-user Min OPEX «No shortage» Change behaviour (tariff) Investor, ESCO Min CAPEX+OPEX Business on capacity market «Energy Autonomy» possible?? CHP 10
3. Photovoltaïcs - Technology Production : (relatively) linear : - Power = K1 * Surface - Energy = K2 * Surface (of same orientation) Controls : inverter DC/AC : - Security (no reinjection if shortage) - Maximum Power Point Tracking : integrated electronics Manufacturors : garanteed performances : eg. 80% après 20 ans 11
3. Photovoltaïcs Variability 12
3. Photovoltaïcs Feed-in solution 2005 8 /Wc +60 ç /kwh 9 à 14 ç /kwh Incentives : Buy-back Tariffs to «launch» the industry -> Solar roof eg. CORIOLIS 13
3. Photovoltaïcs Feed-in Critère : minimiser le temps de retour sur investissement -> Dimensionnement PV pour un cout minimal et une recette maximale : Max (RECETTE - EXPLOIT) Rendement Panneaux PV (fonction technologie) Surface : la plus grande possible, orientée sud, à 30 Climat : le plus près de Toulon! Prix de rachat constant (fonction montage) OPEX : peu entretien (remplacement onduleurs) Min (CAPEX) : Cout panneaux (fonction technologie) Organisation géométrique et électrique» Horizon d analyse : 20 à 25 ans Production «assez» stable 14
3. Photovoltaïcs Feed-in Design : mastered by Electrical engineering firms and Architects Software : several commercial tools Ex. PVSYST V17 : data base for equipments R&D : price, smal siez devices 15
3. Photovoltaïcs Tariffs Evolutions 2005 2015 8 /Wc 2 /Wc 9 à 14 ç /kwh +60 ç /kwh Intégré : +26 ç /kwh Superposé : +13 ç /kwh Non intégré : +6 ç /kwh En débat : mode de valorisation 10 à 15 ç /kwh Augmentations prévues Prix de revient production : de 8 à 15 ç /kwh Constant sur 25 ans Towards grid parity 16
3. Photovoltaïcs Self-consumption Criterion : «garanty part of the energy bill» Sizing : max PV/min load 300 Jour avec AutoConsommation maximale (Pointe) Usages Elec Prod PV AutoConso Charge Stockage Décharge Stockage Achat réseau Injection Réseau 250 200 150 100 50 0 0 6 12 18 24 Heure 17
3. Photovoltaïcs Self-consumption Dimensionnement : Minimiser la facture d électricité, sans réinjecter Minimiser (ACHAT ELECTRICITE) Connaitre les usages : appels de puissance (en journée) Tarifs : achat, vente surplus, autoconsommation (?) Ajustement : type de Panneaux et Surface(s) Pas d abonnement de réinjection Min (CAPEX) : Cout panneaux (fonction technologie) Horizon : 20 à 25 ans 18
3. Photovoltaïcs Self-consumption 19
3. Photovoltaïcs Self-consumption «Optimisation» of surface Design : Electrical Engineer + Architect Tools : Energy simulation codes (TRNSYS, VE, etc.), spreadsheeds Hourly computations Sizing empirical R&D : methods connaissances courbes de charges : idenfication 20
3. Photovoltaïcs Self-consumption «Optimisation» by hand! 21
3. Photovoltaïcs Storage Perspectives : surplus of production -> electrical storage Dimensionnement Contraintes :» Capacité Mini/Maxi» Puissance charge/décharge/maintien» Nombre de cycles» Cout : 1000 $/kw, 800 $/kwh» Puissance de réinjection réseau limitée Horizon : durée vie de la batterie 22
3. Photovoltaïcs Storage Larger PV area : «peak» production at noon 23
3. Photovoltaïcs Storage 24
3. Photovoltaïcs Storage Dimensionnement : «optimal» Pilotage : charge anticipée vs réseau Design : Electrical engineering Tools : Energy simulation codes (TRNSYS, VE, etc.), spreadsheeds Hourly computations, empirical R&D : connaissances courbes de charges, statistics 25
4. Cogeneration : Combined Heat and Power Standard solution : Combustion engine -> Alternator Advantages : Minimize electrical networks losses Opportunities : Start/stop upon request European Directive to enhance technologies 26
4. Cogeneration : large scale solutions (>1 MW) Contexte (>1995) : Tarifs incitatifs de rachat de l électricité produite pour supporter le réseau en hiver Critère : minimiser le temps de retour sur investissement MIN (CAPEX) : dimensionnement Cogé pour un fonctionnement en base : MAX (RECETTES) : prix de rachat fixé et indexé (130 /MWh) Contraintes : Production sécurisée sur 5 mois d hiver Equipement : rendement, niveau de température adapté au process Horizon : 12 ans 27
4. Cogeneration : large scale solutions (>1 MW) Design : HVAC engineers, ESCO Tools : spreadsheed R&D : limited ; use of biomass ; countries of 28
4. Cogeneration : small scale solutions Equipments : Internal combustion engine, microturbine, fuel cell From 300 We to +250 kwe Various fuels : natural gas, biogas, pellets, etc. 29
4. Cogeneration : small scale solutions 30
4. Cogeneration : small scale solutions «Optimisation» CAPEX : CHP Back-Up : Type of controls of CHP : heat vs electrical Storage (?) OPEX : Equipments maintenance Tariffs : depending of building power supply (kw) and load (kwh)» Fuel» Electrical» Injection Illustré par les présentations de Romain + Vincent 31
Distributed Energy Summary of «Optimisation» Case of Sizing Objective Decision variable Tariffs Parameter Status (TRL) PV Injection Low TRI Surface PV Feed-in 8-9 PV selfconsumption Garanteed kwhpv Surface PV Injection, Electrical 7-9 PV + Storage Min CAPEX+OPEX Surface PV, size of storage Injection, Electrical 5-7 Large Scale Cogen Low TRI Size of equipment Feed-in, Gas 8-9 Small Scale Cogen Min CAPEX+OPEX Size of system Injection, Gas, Electrical 3-8 R&D : Real-time Controls for PV + Storage, CHP 32
4. Cogeneration : small scale solutions Contexte (2015) : Offre technologique élargie en petites puissances avec ratios Electricité/Chaleur variés Dimensionnement «Système» : Objectifs possibles : o Suivi de besoins thermiques o Suivi de besoins électriques Avantages : o Adaptation équipement+appoint/usages o Possibilité de commande (fonctionnement en pointe) Inconvénients : o Connaissance de la dynamique des équipements o Développement solutions et filière (CAPEX + OPEX) Illustré par la présentation de Romain + Vincent Attentes : outils de dimensionnement, orientations, REx, études de composants, pilotage 33
Merci de votre attention 34