Balancing energy demand : load management potential of large-scale goethermal heat pump systems in residential apartment buildings

Abstract

The energy sector is undergoing significant simultaneous changes. The EU has set a target for carbon neutrality by 2050, leading to a rapid shift from fossil fuel energy production to the use of renewable sources. Wind and solar energy, despite their weather-dependent variability, are among the fastest-growing sources of electricity. This variability can cause supply-demand imbalances, reflected in the high volatility of electricity prices. However, for example through intelligent load management mechanisms, these fluctuations can be mitigated by aligning loads with periods of low electricity prices. Such automation not only reduces electricity costs but also enhances grid stability and efficiency.

The EU’s ‘Fit for 55’ climate package includes a GHG reduction goal of 55% by 2030 and mandates all new buildings to be zero-emission by 2030. This target accelerates the development of zero-emission heating options. Geothermal heat pump systems, one of the most efficient technologies for electrified indoor and domestic water heating, will play a crucial role in this transition.

The goal of this bachelor’s thesis is to study the potential for implementing an automated load management system in a large-scale geothermal heat pump system in a residential apartment building. The thesis is limited to a model for nightly charging of energy into the building structure and water heater tanks. By operating the heat pumps and resistive heaters during the cheapest nightly hours (22-07), the peak morning electricity prices can be avoided. This model demonstrated significant optimization potential, saving over 40% in the electricity costs compared to the same amount of optimizable energy produced during morning hours.

The potential of geothermal heat pump systems in frequency and reserve containment markets is also a potential subject for future research. This could provide additional benefits in terms of grid stability and offer new opportunities for cost savings.

Energia-ala on murroksessa. EU on asettanut tavoitteeksi hiilineutraaliuden vuoteen 2050 mennessä, mikä johtaa nopeaan siirtymiseen fossiiliperäisestä energiantuotannosta uusiutuvien energialähteiden käyttöön. Tuuli- ja aurinkoenergia ovat säästä riippuvasta vaihtelustaan huolimatta nopeimmin kasvavia sähkönlähteitä. Tämä vaihtelu voi aiheuttaa tarjonnan ja kysynnän epätasapainoa, mikä näkyy sähkön hintojen suurena vaihteluna. Älykkäiden kuormanhallintamekanismien avulla näitä vaihteluita voidaan kuitenkin lieventää kohdistamalla kuormat alhaisen sähkön hinnan aikoihin. Tällainen automaatio ei ainoastaan vähennä sähkökustannuksia, vaan myös parantaa verkon vakautta.

EU:n Fit for 55 paketti sisältää tavoitteen vähentää kasvihuonepäästöjä 55 prosenttia vuoteen 2030 mennessä, ja sen mukaan kaikkien uusien rakennusten on oltava päästöttömiä samana vuonna. Tämä tavoite vauhdittaa päästöttömien lämmitysvaihtoehtojen kehittämistä. Maalämpöpumpputekniikka on yksi tehokkaimmista sähköisistä sisätilojen ja käyttöveden lämmittämiskeinoista, ja sillä tulee siten olemaan tärkeä rooli päästöjen vähentämisessä.

Tämän kandidaatintutkielman tavoitteena oli tutkia mahdollisuuksia toteuttaa automatisoitu kuormanhallintajärjestelmä asuinkerrostalon suuren mittakaavan maalämpöjärjestelmässä. Tutkielma on rajattu malliin energian lataamisesta yön halvimpien tuntien aikana rakenteisiin ja lämpimän käyttöveden varaajiin. Käyttämällä lämpöpumppuja ja vastuksia halvimpina tunteina (22–07) voidaan välttää aamun sähkönhintapiikit. Tämä malli osoitti tutkimuksessa merkittävää optimointipotentiaalia, säästäen yli 40% sähkön kustannuksissa verrattuna saman energian tuottamiseen normaalin aamun kysynnän mukaisesti.

Etähallittavien maalämpöpumppujärjestelmien potentiaalia taajuus- ja reservimarkkinoilla on myös tutkittava lisää. Lyhytaikaisempi optimointi voisi tarjota lisäetuja verkon vakaudenedistämiseksi, sekä mahdollistaisi järjestelmäkohtaisia kustannussäästöjä.