Fremtidens energisystem: Integration af elektriske køretøjer og varmepumper i det smarte elnet

På Institut for Energiteknik arbejder professor Birgitte Bak-Jensen og ph.d.-studerende Rakesh Sinha på at øge fleksibiliteten af energiforbruget gennem integration af varmepumper og elektriske køretøjer i det smarte elnet.

I den offentlige debat om fremtidens energisystem fremhæves dels øget brug af elektriske køretøjer og varmesystemer og dels øget produktion af strøm fra bæredygtige energikilder som vejen til at opnå et 100% grønt energisystem med minimal CO₂-udledning. Men løsningen er mere kompliceret end som så, da det eksisterende elnet ikke har tilstrækkelig kapacitet til at håndtere det markant større elforbrug, som dette ville medføre.

Rakesh Sinha forklarer:

“Hvis man forestiller sig, at fjernvarme udskiftes med elektriske kedler og varmepumper, og elektriske køretøjer på same tid introduceres i elsystemet, fører det til en anderledes belastning af elsystemet. Dette kan medføre en form for tilstopning eller trængsel, hvis ledninger og transformere ikke har kapacitet til at håndtere disse store stigninger i efterspørgsel på strøm. På den anden side er der også en risiko for, at forbrugerne vil opleve udfald, blinkende lys og andre ulemper på grund af hurtig variation i strømproduktion og -forbrug.”

For at undgå dette, arbejder forskerne på at optimere fleksibiliteten af strømforbruget – uden at det på nogen måde går ud over forbrugerens komfort, fx i forbindelse med, hvornår man har varmt vand til rådighed, eller hvor opladt elbilen er om morgenen, når ejeren skal på arbejde.

Omlægning af opvarmningsmønstre for optimeret energiforbrug

 Forskernes arbejde tager udgangspunkt I varme- og forbrugsdata fra 164 hjem I Aalborg Øst. Her vises forbrugsmønstre, inklusive fx toppunkter om morgenen, når de fleste tager bad, før de går på arbejde. Birgitte Bak-Jensen forklarer:

“På overordnet plan ser vi på, hvordan vi kan udskifte varmekilder som oliepumper med en varmepumper eller tilførsel af elektriske kedler og en lagertank I varmesystemet. Hvis der er overskydende strøm fra vindmøller eller solceller, går vi efter at kunne overføre den til varmesystemet for at drive varmepumper og elektriske kedler. Rakesh har udarbejdet en model af dette system og anvender den til at 1) analysere, hvordan elnettet vil blive påvirket af disse forhold med henblik på at undgå overbelastning, underbelastning og spændingsvariation, og 2) hvordan vi kan optimere fleksibiliteten af elforbruget uden at det går ud over forbrugerens komfort.”

I områder med fjernvarme vil det optimale skift være en overgang til en kombination af varmepumper og elektriske kedler. Varmepumper har et højere konverteringsforhold mellem elektricitet og varme og kan udnyttes effektivt til at lagre overskydende bæredygtig energi I energinettet. Omvendt kan elektriske kedler omstilles hurtigere sammenlignet med varmepumper og har dermed potentiale til at blive anvendt I services, der balancerer efterspørgsel og udbud for at sikre kvaliteten og sikkerheden af elektriske overførsler. Forbrugere, der på nuværende tidspunkt anvender oliedrevne kedler, vil få mest ud af at skifte til varmepumper og en lagertank – dog ikke nødvendigvis en tank til hvert enkelt hus, som man kender det fra private hjem I dag.

“Ved I stedet at anvende en central lagertank, der leverer varmt vand til adskillige huse kan vi anvende overskydende grøn energi I nettet til at opvarme vandet, eksempelvis om natten, så vi har den nødvendige mængde varmt vand til beboernes morgenbad. Vi taler ofte om fleksiblet forbrug, men I visse tilfælde er det simpelthen ikke muligt at flytte forbruget til et andet tidspunkt på dagen – vi kan ikke ændre, hvornår det varme vand forbruges, men vi kan ændre, hvornår det laves,” forklarer Rakesh Sinha.

Distribueret ladning af elektriske køretøjer

 På samme måde ser forskerne på, hvordan man kan integrere opladning af et stort antal elektriske køretøjer I det eksisterende energisystem.

“Vi har data for gennemsnitlige elbilejere, for eksempel hvor meget bilen skal være ladet, når føreren kører på arbejde om morgenen. Dette anvendes som udgangspunkt for den minimale nødvendige ladning, som vores modelsystem skal stille til rådighed for køretøjerne. I stedet for at lade bilen 100%, så snart føreren kommer hjem om eftermiddagen, som vi kan se, at folk gør, kan vi kontrollere, hvornår bilen lades, eksempelvis om natten, når der I øvrigt kun er lille belastning af elnettet, samt hvor meget den skal lades for at kunne møde forbrugerens gennemsnitlige kørselsbehov,” forklarer Rakesh Sinha.

Han understreger også vigtigheden af at lade nettet styre, hvornår ladningen finder sted, samt at dette ikke kun skal afhænge af elpriserne, eftersom det kan overbelaste systemet, hvis alle lader, når prisen er lav.

“Man kan sige, at vi optimerer elforbruget I overensstemmelse med elnettets styrke, ikke kun I forhold til eksempelvis øget produktion af bæredygtig energi eller lave priser – men vi forsøger naturligvis at tage det hele I betragtning I modellen: pris, vejr, el, forbrug og efterspørgsel,” tilføjer han.

Fleksibelt multi-energisystem

Forskerne håber, at multi-energisystemet med tiden kan udvides til eksempelvis at inkludere elektriske busser og andre former for elforbrug, så der til sidst skabes et system med omfattende, fleksibelt og balanceret elproduktion og –forbrug med maksimal udnyttelse af bæredygtige energikilder – og maksimal forbrugerkomfort.

“Jeg glæder mig til at opleve multi-energisystemer og smarte byer, hvor der er større balance mellem efterspørgsel og tilsvarende strømbelægning. Jeg tror på, at vi I fremtiden vil opleve integrerede systemer, hvor opvarmning, transport, gasproduktion og forskellige bæredygtige energikilder vil eksistere side om side, og hvor intelligente kontrolsystemer sikrer balance, fleksibilitet, fordelagtige priser og, naturligvis, forbrugerkomfort,” afslutter Rakesh Sinha.