Developing a MILP model to study heat pump flexibility in power systems

Abstract

The energy sector is responsible for a large portion of carbon emissions. Decarbonizing this sector through electrification by utilizing intermittent renewable energy sources such as wind and solar requires flexibility from power systems. Apart from other available tools which require substantial investments and modifications to the overall system, large-scale heat pumps are an efficient power-to-heat technology to drive electrification and provide flexibility to power systems.

The objective of this thesis is to study how the integration of large-scale heat pumps into power systems affects the flexibility of the system and whether it causes any adverse effects. The assessment is done by formulating a mixed integer linear programming model for a power system that includes heat pumps. The objective of the proposed model is to schedule an optimal heat and power generation dispatch while minimizing operation costs and maximizing revenue gained from selling electricity in the day-ahead market. The model is validated with a case study of the LEMENE system that is used mainly for district heat production. The proposed model consists of six combined heat and power (CHP) units, a heat pump, a heat-only boiler and a water medium thermal storage unit. All simulations are done for a one-week period in 15-minute timesteps. The simulation results indicate that the proposed model depicts the LEMENE system quite accurately in terms of larger operation patterns, especially during summertime, when CHP operation is less favorable due to low electricity prices.

Two main scenarios are inspected for the LEMENE system. The first scenario studies the addition of a new heat pump to the current topology and how the increase in total heat pump capacity affects the system flexibility. The new heat pump is similar to the one in the current topology and its main purpose is to recover waste heat from two CHP units. The first scenario results in highly significant reductions in heat production costs and carbon emissions during summertime due to the minimum operation using natural gas. Winter and spring simulations also show a slight decrease in costs and emissions. However, increased heat pump operation results in less electricity generation through CHP and thus less revenue from selling electricity.

In the second scenario, thermal storage capacity is increased by adding a new heat pump to lower the cold water temperature in the storage unit, which indirectly improves overall system flexibility. Three different configurations based on heat pump capacity and thermal storage properties are simulated. The simulation results indicate that increased storage capacity gained via a heat pump does not lead to higher electricity generation through CHP, as the heat pump fulfills a portion of the heat demand otherwise fulfilled by the CHP, and limits the rate at which heat can be discharged from the thermal storage. However, the second scenario does provide a slight reduction in heat production costs and carbon emissions, especially during spring, when the thermal storage use is most frequent.

This study provides insight into heat pump integration with combined heat and power units as well as thermal storage. It also serves as a basis for further power system modelling, especially in the case of the LEMENE system. The limitations of the formulated model are identified and future modifications to this model are discussed.

Suuri osa hiilidioksidipäästöistä syntyy energiasektorilla. Päästöjä voidaan vähentää sähköistymisellä, joka hyödyntää uusiutuvia energialähteitä, kuten tuuli- ja aurinkovoimaa. Se kuitenkin vaatii joustavuutta energiajärjestelmiltä. Kalliiden ja huomattavaa järjestelmän muokkausta vaativien keinojen lisäksi, teollisen mittakaavan lämpöpumput ovat tehokas sähköisen lämmöntuotannon teknologia ajamaan sähköistymistä ja tuomaan joustavuutta energiajärjestelmille.

Tämän diplomityön päämäärä on tutkia, miten teollisen mittakaavan lämpöpumppujen integrointi vaikuttaa energiajärjestelmien joustavuuteen ja millaisia järjestelmälle haitallisia vaikutuksia integroinnista voi syntyä. Tutkimus suoritetaan muodostamalla lämpöpumppuja sisältävästä energiajärjestelmästä lineaarinen sekalukuoptimointimalli, jota käytetään ratkaisemaan järjestelmän eri tuotantoyksiköiden aikataulutuksen ja lämmitystehon optimointiongelma. Muodostettu malli validoidaan käyttämällä pääasiassa kaukolämmön tuottoon tarkoitettua LEMENE-järjestelmää case-kohteena. Mallinnettu järjestelmä muodostuu kuudesta sähkön ja lämmön yhteistuotantoyksiköstä (CHP), lämpöpumpusta, kaasukattilasta ja vesipohjaisesta kaukolämpöakusta. Kaikki simulaatiot suoritetaan viikon ajanjaksolle 15 minuutin aika-askeleella. Simulaatiotulokset osoittavat, että malli kuvaa LEMENE-järjestelmän suurempia toimintamalleja melko tarkasti erityisesti kesällä, jolloin CHP-yksiköitä käytetään vähemmän matalan sähkön hinnan vuoksi.

LEMENE-järjestelmälle tutkitaan kahta skenaariota. Ensimmäinen skenaario käsittelee joustavuuden kehittämistä lisäämällä järjestelmään toinen lämpöpumppu hukkalämmön talteenottoa varten sekä lisäämään ilma-vesilämpöpumppukapasiteettia. Uusi lämpöpumppu on lähes identtinen jo järjestelmässä olevan lämpöpumpun kanssa. Ensimmäinen skenaario johtaa huomattaviin lämmön tuotantokustannusten sekä hiilidioksidipäästöjen vähenemiseen erityisesti kesällä, jolloin kaasun käyttö polttoaineena vähenee huomattavasti. Talven ja kevään simulaatiot näyttävät myös vähäistä laskua kustannuksissa ja päästöissä. Kuitenkin lisääntynyt lämpöpumpputoiminta johtaa mallissa alempaan sähköntuotantoon CHP-yksiköillä ja sitä myötä pienempään sähkön myynnistä saatavaan tuottoon.

Toisessa skenaariossa kaukolämpöakun varastokapasiteettia kasvatetaan lisäämällä uusi lämpöpumppu alentamaan kylmän veden lämpötilaa lämpöakussa, mikä lisää koko järjestelmän joustavuutta. Simulaatiot koostuvat kolmesta erilaisesta kokoonpanosta, joissa lämpöpumpun kapasiteetti ja kaukolämpöakun ominaisuudet vaihtelevat. Simulaatiotulokset osoittavat, että lämpöpumpulla tuotettu lisävarastokapasiteetti ei johda lisääntyneeseen sähköntuotantoon CHP-yksiköillä, koska uusi lämpöpumppu täyttää osan lämmöntarpeesta ja rajoittaa tehoa, jolla kaukolämpöakkuun varastoitua lämpöä voidaan purkaa. Kuitenkin toinen skenaario alentaa tuotantokustannuksia ja hiilidioksidipäästöjä erityisestä kevätaikaan, jolloin kaukolämpöakun käyttö on merkittävintä.

Tämä työ auttaa lisäämään käsitystä lämpöpumppujen integroinnista CHP-yksiköiden sekä kaukolämpöakkujen yhteydessä. Työ toimii lisäksi pohjana tuleville energiajärjestelmien mallinnuksille erityisesti LEMENE-järjestelmän tapauksessa. Muodostetun mallin rajoitteet todetaan ja niihin liittyviä tulevaisuuden muokkauksia käsitellään.