Energy and economic optimization of PV hybrid systems to supply buildings HVAC demand : battery modeling and control strategies

El objetivo principal de este trabajo de investigación es evaluar el potencial que tienen los sistemas híbridos fotovoltaicos para suministrar la potencia eléctrica necesaria a los sistemas de climatización en edificios. Los sistemas de climatización, o también llamados HVAC por sus siglas en inglés (Heating, ventilation and air-conditioning), son utilizados a nivel mundial tanto en edificios comerciales, como residenciales para el acondicionamiento ambiental. En particular, estos sistemas representan entre el 40% y 60% del total de la demanda eléctrica de los edificios. La hipótesis que se planeta en esta Tesis, sugiere que un sistema híbrido fotovoltaico, es capaz de suministrar la energía necesaria para mantener las condiciones de confort al interior de un edificio, a la vez que este sistema es rentable técnica y económicamente desde el punto de vista del consumidor. Para cumplir el objetivo planteado y contrastar la hipótesis, se ha instalado y monitorizado un sistema de almacenamiento eléctrico acoplado a un sistema fotovoltaico ya existente en el prototipo de vivienda de consumo de energía casi nulo llamado ‘Magic Box’ del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid. Así mismo, se ha instalado dos bombas de calor que mantienen las condiciones de confort dentro de la vivienda y sensores de temperatura, humedad relativa y concentración de CO2. En el sistema híbrido, se ha implementado algoritmos de control, que son capaces de gestionar la potencia generada por el sistema fotovoltaico, la potencia de carga y descarga de la batería, y la energía importada y exportada de la red eléctrica, de tal manera que el consumo eléctrico de las bombas de calor siempre esté suministrado. Mediante estos algoritmos se ha logrado implementar dos estrategias de control (aumento del autoconsumo fotovoltaico y disminución de los picos de demanda de la red) y dos modos de funcionamiento (que la batería abastezca toda la demanda de la vivienda, o que la batería actúe sólo para abastecer la demanda específica de climatización). Con los datos recopilados luego de una extensa campaña de mediciones, se desarrolló un modelo matemático que reproduce las estrategias de control implementadas en el sistema híbrido, con un error menor al 10%. Este modelo sirvió de base para el desarrollo de una herramienta de simulación que permite evaluar —para diversos casos de estudio— los principales parámetros del sistema (generación fotovoltaica, intercambio de potencia con el sistema de almacenamiento, intercambio de potencia con la red eléctrica y el estado de carga de la batería). Esta herramienta, denominada también implementa un detallado análisis económico (costo de la energía generada y retorno de la inversión) y diversos análisis de sensibilidad (ahorro económico, autoconsumo, autosuficiencia y tiempo de vida de las baterías), que permiten determinar las condiciones para las cuales el sistema es rentable. La tesis está dividida en cuatro partes, la primera parte es la introducción, en donde se detalla el problema de investigación, el objeto de estudio, las hipótesis y los objetivos de este trabajo. En la segunda parte se hace una revisión del estado del arte de los distintos temas y estudios relacionados con esta investigación. En la tercera parte se presenta la metodología utilizada, el detalle de la etapa experimental, la descripción de las estrategias de control y la validación el modelo propuesto para sistemas fotovoltaicos con almacenamiento eléctrico conectado a la red. La cuarta parte presenta los resultados de los tres casos de estudio mencionados, las conclusiones de esta Tesis, las publicaciones realizadas en revistas científicas y congresos internacionales y, finalmente, define futuras líneas de investigación que puedan surgir a partir de esta Tesis. ----------ABSTRACT---------- The main objective of this research is to assess the potential of PV hybrid systems to supply the electrical consumption in the Heating, Cooling and Air-Conditioning (HVAC) systems of buildings. The hypothesis of this thesis suggests that a PV hybrid system is capable of supplying the necessary energy to maintain the comfort conditions inside a building, while this system is technically and economically profitable from the point of view of the consumer. In order to fulfil the proposed objective and contrast the hypothesis, a Battery Energy Storage System (BESS) has been coupled to a PV system already existing in the prototype of the nearly zero-energy building, so-called ‘Magic Box’ at the Instituto de Energía Solar - Universidad Politécnica de Madrid. Likewise, two heat pumps to maintain the comfort conditions inside the house, sensors of temperature, relative humidity and concentration of CO2, have been installed. In the PV hybrid system, control algorithms have been implemented, which are capable of managing the power generated by the PV system, the charge and discharge battery power, and the imported and exported electricity grid, in such a way that the electrical consumption of the heat pumps is always supplied. By means of these algorithms, two control strategies have been implemented (optimizing the PV self-consumption and peak-shaving) and two modes of operation (the battery supplies all loads, or the battery only supplies the HVAC specific load). With the data collected after an extensive measurement programme, a model was developed that reproduces the control strategies implemented in the PV hybrid system, with an error lower than 10%. This model served as the basis for the development of a simulation software tool that allows one to evaluate — for various case studies — the main parameters of the system (PV generation, power exchange with the BESS, power exchange with the utility grid and the battery state of charge). This tool, called also implements a detailed economic analysis, levelized cost of electricity, payback-time, and various sensitivity analyses (billing saving, self-consumption, self-sufficiency and battery lifetime), which allow one to determine whether the PV hybrid system is profitable or not. By applying this model in two case studies (in Spanish and Ecuadorian scenarios), the starting hypotheses of the thesis have been demonstrated. A third case study also was evaluated (Portuguese scenario), where the economic impact of changing fixed charges in the bill electricity using PV-battery systems was analysed with total electricity consumption in a residential building, suggesting that the peak-shaving control strategy may lead to quite positive economic performance of PV-battery systems especially when the bill structure is based on fixed (power) charges. The thesis is divided into four parts: the first part is the introduction, which details the research problem, the object of research, the hypotheses and the objectives. In the second part, a review of the state of the art of the fields related to this thesis is conducted. The third part presents the methodology used, the experimental stage, the battery control strategies and the validation of the gridconnected PV-battery systems model. The fourth part presents the results of the three case studies, the conclusions of this thesis, the publication of papers and international congresses, and finally, defines future lines of research that may arise from this Thesis.