Evaluation and adaptation of a heating system for an educational building in Belgium to provide energy flexibility to energy networks

The objective of this thesis is to evaluate the extent of energy flexibility that a school building in Belgium could offer to potential future energy grids. With the progressive elimination of fossil energy sources to fight global warming, future electrical grids will be more and more powered by renewable energy sources (RES). However, RES are characterized by intrinsic variability that could have a significant impact on the stability of electrical grids. The entire energy system should move from a generation-on-demand model to a consumption-on-demand approach. Buildings will need to manage their energy consumption flexibly, increasing it during periods of high availability of renewable energy on the electrical grid and decreasing it in case of energy shortages. In this thesis, two main sources of flexibility for the building under consideration were primarily investigated: its thermal inertia and the use of electric batteries associated with a photovoltaic system. About the first flexibility source, the results for the specific building envelope analysed showed that set point adjustment strategies of the indoor temperature to shift the building's energy demand over time by using the energy stored in the building's construction elements are not very powerful. The best-performing scenario produced a daily economic saving of 3 % (Expected Flexibility Saving Index, EFSI) at the expense of a 2 % daily consumption rise and no positive Flexibility Index (FI) were obtained from any of the analysed cases. On the other hand, I plot the flexibility functions and calculate the annual flexibility index (FI) for batteries with five different capacities (10 kWh, 25 kWh, 40 kWh, 55 kWh, and 70 kWh) and four types of future electrical networks (solar grid, wind grid, grid with peak problems, and multiple sources grid). Among the renewable energy-powered electrical network, the wind grid proved to be the most easily supported by the building under study, presenting a wide range of flexibility index (FI) variation ranging from 35% to 60%. The solar grid, on the other hand, provided the lowest flexibility indices, ranging from 19% to 9%, and for this reason, a possible scenario to improve the obtained results was studied. Similar levels of energy flexibility to those provided by a wind grid can be achieved by a solar grid by combining the use of multiple flexibility sources, managing not only the battery output but also the entire generation of photovoltaic panels through the penalty signal, consuming energy at the moment it is produced only when electricity shortages occur in the grid.

L'obiettivo di questa tesi è valutare la flessibilità energetica che un edificio scolastico in Belgio potrebbe offrire alle potenziali future reti energetiche. Con l'eliminazione progressiva delle fonti di energia fossile per contrastare il riscaldamento globale, le future reti elettriche saranno sempre più alimentate da fonti di energia rinnovabile (RES). Tuttavia, le RES sono caratterizzate da una variabilità intrinseca che potrebbe avere un impatto significativo sulla stabilità delle reti elettriche. L'intero sistema energetico dovrebbe passare da un modello di generazione su richiesta a un approccio di consumo su richiesta. Gli edifici dovranno gestire in modo flessibile il proprio consumo energetico, esso dovrà essere maggiore nei momenti di grande disponibilità di energia rinnovabile nella rete elettrica e minore in caso di carenze energetiche. In questa tesi, sono state principalmente indagate due fonti principali di flessibilità per l'edificio preso in considerazione: la sua inerzia termica e l'uso di batterie elettriche associate a un sistema fotovoltaico. Per quanto riguarda la prima fonte di flessibilità, i risultati per lo specifico involucro edilizio analizzato hanno mostrato che le strategie di regolazione del set point della temperatura interna per rimandare la domanda energetica dell'edificio nel tempo utilizzando l'energia immagazzinata negli elementi costruttivi dell'edificio non sono molto efficaci. Lo scenario con i risultati migliori ha generato un risparmio economico giornaliero del 3 % (EFSI), causando però un aumento dei consumi giornalieri del 2 %. Nessuno dei casi analizzati ha prodotto un indice di flessibilità giornaliero (FI) positivo. D'altra parte, ho tracciato le funzioni di flessibilità e calcolato l'indice di flessibilità (FI) annuale per batterie con cinque diverse capacità (10 kWh, 25 kWh, 40 kWh, 55 kWh e 70 kWh) e quattro tipi di reti elettriche future (rete solare, rete eolica, rete con problemi di picco e rete a fonti multiple). Tra le reti elettriche alimentate da energie rinnovabili, la rete eolica si è dimostrata la più facilmente supportata dall'edificio di studio, presentando una vasta gamma di variazioni dell'indice di flessibilità (FI) che vanno dal 35% al 60%. La rete solare, d'altra parte, ha fornito i più bassi indici di flessibilità, che vanno dal 19% al 9%, e per questo motivo è stato studiato uno scenario possibile per migliorare i risultati ottenuti. Livelli di flessibilità energetica simili a quelli forniti da una rete eolica possono essere raggiunti da una rete solare combinando l'utilizzo di più fonti di flessibilità, gestendo attraverso il penalty signal non solo l'output delle batterie ma l'intera generazione dei pannelli fotovoltaici, consumando l'energia nel momento stesso in cui viene prodotta solo se si verificano carenze energetiche nella rete.