The potential of demand flexibility provided by heat pumps to the Austrian electricity system

Abstract

To achieve a sustainable and climate-friendly future today’s energy systems are undergoing a major clear transformation towards decarbonization where renewable energy sources are expected to play a key role. The objective of this work is to define the technical and economical potentials of different heat pump systems with regard to the use of electricity in the heating sector combined with heat storage in times when cheap, renewable, surplus electricity is available. This shall serve to estimate the flexibility that can be provided by heat pumps for the Austrian electricity system. For this purpose, a detailed evaluation of heat pumps and their dynamic properties (=flexibility)is required. Having a huge impact on both the reduction and expansion of flexibility for different heat pump types, both technical and physical (environmental factors, e.g. temperature) constraints will be assessed. To define the term flexibility of heat pump operation, it is necessary to evaluate the working principle for different types of heat pumps.The open-source energy system model Balmorel is used to optimize the combined dispatch of the previously discussed heat pumps in the overall Austrian electricity and district heating system concerning the specific operational properties of heat pumps; an additional focus is laid on fitting heat storages in economically profitable periods and the effect of sector coupling in the Austrian electricity system. For analyzing the role of increased sector coupling appropriately, an extension of the model appears necessary. Thus,part of this master thesis’s work plan was to extend the model scope by an additional add-on "Demand-Response", including model optimization, expansion,and adjustment of heat storage to strategically and economically rational periods, incorporating key technical and economic features of heat pumps.It is shown that the model and the additional add-on is well qualified for analyzing possibilities and system benefits of operating heat pumps flexibly.This includes prioritizing heat pump operation for hours with low marginal electricity production costs, resulting in less pollution from a lower conventional operation of gas plants and accordingly lower electricity prices overthe year.

Um eine nachhaltige und klimafreundliche Zukunft zu erreichen, werden die heutigen Energiesysteme einem klaren Wandel in Richtung Dekarbonisierung unterzogen, bei dem die erneuerbare Energiequellen eine Schlüsselrolle spielen werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die technischen und wirtschaftlichen Potenziale verschiedener Wärmepumpensysteme im Hinblick auf die Nutzung von Elektrizität im Heizungssektor zu evaluieren und diese in Verbindung mit dem Bedienen von Wärmespeichern in Zeiten von günstigem, erneuerbarem und überschüssigem Strom zu setzen. Dies soll dazu dienen, die Flexibilität,welche die Wärmepumpen für das österreichische Stromnetz bieten können, abzuschätzen. Folglich ist eine detaillierte Bewertung der Wärmepumpen und ihrer dynamischen Eigenschaften (= Flexibilität) erforderlich. Weiters erfolgt zusätzlich eine weitere Einschätzung technischer und physikalischer Umweltfaktoren, z. B. Temperatur, hinsichtlich der Verringerung und der Erweiterung der Flexibilität für verschiedene Wärmepumpen. Folglich wird der Begriff Flexibilität des Wärmepumpenbetriebs definiert, um das folgende Arbeitsprinzip für verschiedene Arten von Wärmepumpen zu bewerten. Das Open-Source-Energiesystemmodell Balmorel wird verwendet, um die Verteilung der zuvor diskutierten Wärmepumpen im gesamten österreichischen Strom- und Fernwärmesystem hinsichtlich der spezifischen Betriebseigenschaften von Wärmepumpen zu optimieren. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Bedienung von Wärmespeichern in wirtschaftlich rentablen Zeiten und den Auswirkungen der Sektorkopplung im österreichischen Stromnetz.Um die Rolle einer erhöhten Sektorkopplung angemessen zu analysieren, erscheint eine Erweiterung des Modells erforderlich. Teil des Arbeitsplans war es daher, den Modellumfang um ein zusätzliches Add-On "Demand-Response" zu erweitern, einschließlich Modelloptimierung, Erweiterung und Anpassung der Wärmespeichers an strategisch und wirtschaftlich rationalen Zeiträumen unter Einbeziehung wichtiger technischer und wirtschaftlicher Aspekte von Wärmepumpen. Es wird gezeigt, dass das Modell und das zusätzliche Add-On dafür gut qualifiziert sind, die Systemvorteile des flexiblen Betriebs von Wärmepumpen zu analysieren. Dies führt zu einer Priorisierung des Wärmepumpenbetriebs in Stunden mit geringen Kraftwerksgrenzkosten für die Stromerzeugung, was folglich zu weniger Emissionen durch einen geringeren konventionellen Betrieb von Gasanlagen und dementsprechend niedrigeren Strompreisen im Laufe des Jahres führt.