Buildings as batteries : unlocking grid flexibility from smart management of domestic heating

The necessary pursuit of net-zero emissions demands the reliance on non-programmable renewable energy sources for the national grid. This calls for unprecedented attention to grid flexibility and security. The proposed optimization model offers the possibility to find the economic dispatch to satisfy the heating demand of buildings, while simultaneously accounting for the thermal energy stored within it, simulating how charging, and discharging a battery works. With the inclusion of consumption Demand Response (DR) in the European Ancillary Service Markets (ASM), this work undertakes the optimal operation of a heat pump system that maintains acceptable indoor temperatures in the building and plans the flexibility provision of active power regulation services to the system operator in case it is needed, according to a pre-defined contract. This means that the Mixed-Integer Linear Program (MILP) finds an optimal schedule that charges the building storage level in anticipation of a reduction in consumption (Upward) request, but not fully charged in case of an increase in consumption (Downward) request. In such a system, temperature and thermal comfort are the indicators of the state of charge of the building. The case studies used to test the algorithm found the optimal schedule that allows the buildings to meet the criteria for participation in the ancillary services market with a slight reduction in the daily costs thanks to a small contribution from the service availability premium and in some cases a lower electricity consumption at the expense of change in the indoor temperature. The technical advantage to the grid from aggregating enough buildings could unlock megawatts of capacity from demand response enough to meet the security and grid reliance thresholds. Instead, the economic advantage for the consumers will be in the form of energy sold or purchased in the electricity Balancing Market (BM).

La necessità incombente di perseguire “emissioni nette zero” richiede l'affidamento, da parte della rete nazionale, a fonti energetiche rinnovabili non programmabili. Ciò comporta un'attenzione alla flessibilità e alla sicurezza della rete senza precedenti. Il modello di ottimizzazione proposto offre la possibilità di trovare un dispacciamento economico tale da soddisfare la domanda di riscaldamento degli edifici, tenuto conto dell'energia termica accumulata al loro interno, simulando l’andamento del ciclo di carica e scarica di una batteria. Con l'inclusione della risposta al Demand Response (DR) nei Mercati europei del Servizio di Dispacciamento (MSD), questo elaborato si impegna a trovare il funzionamento ottimale di un sistema a pompa di calore che mantenga livelli di temperatura accettabili all’interno dell'edificio e, in caso di necessità, pianifichi la fornitura flessibile di servizi di regolazione di potenza attiva all'operatore di sistema, secondo un contratto predefinito. Ciò significa che il Mixed-Integer Linear Program (MILP) trova una pianificazione ottimale che innalzi il livello di accumulo dell'edificio, in previsione di una domanda di riduzione del consumo (Upward Call), ma non lo carichi completamente, nell’eventualità di una domanda di aumento del consumo (Downward Call). In questo sistema, la temperatura e il comfort termico sono gli indicatori dello stato di carica dell'edificio. I casi studio analizzati per verificare l'algoritmo hanno identificato un programma ottimale che consente agli edifici di soddisfare i criteri di partecipazione al mercato di dispacciamento, con una leggera riduzione dei costi giornalieri. Tale riduzione è dovuta ad un piccolo contributo derivante dal bonus di disponibilità del servizio e, in alcuni casi, ad un consumo di energia elettrica inferiore a scapito della variazione della temperatura interna. Il vantaggio tecnico per la rete derivante dall'aggregazione di un numero sufficiente di edifici potrebbe sbloccare svariati megawatt di capacità di risposta alla domanda che sarebbero sufficienti a soddisfare le condizioni di sicurezza e di dipendenza dalla rete. D’altro canto, il vantaggio economico per i consumatori sarebbe espresso sotto forma di energia venduta o acquistata nel mercato di bilanciamento (MB).