Energy refurbishment of buildings with new-generation hybrid photovoltaics systems and demand-side management : towards the path of net-zero energy buildings

Resumen

Esta tesis propone una metodología de rehabilitación energética de edificios con el uso de nueva generación de sistema solar fotovoltaico híbrido combinado con estrategias de gestión de la demanda, a fin de optimizar el auto-consumo de la electricidad generada y los impactos con la red eléctrica en el marco de las reglamentaciones nacionales existentes en Brasil y España, contribuyendo para el desarrollo de Edificios de Energía Neta Cero (acrónimo en inglés, Net Zero-Energy Building - NZEB). La metodología es basada en analices de indicadores de suministro de carga y de interacción con la red (acrónimo en inglés, Load Matching and Grid Interaction - LMGI), que caracterizan la correlación entre la generación fotovoltaica local y el consumo de la carga, así como la interacción con la red eléctrica, un importante aspecto en el panorama actual de generación distribuida. Parámetros económicos son también evaluados, como ahorros en la factura de electricidad, coste de producción de electricidad (acrónimo en inglés, Levelized Cost of Electricity - LCOE), paridad de red y tiempo de retorno de la inversión. Las propuestas de rehabilitación de energía están basadas en simulaciones a través de varios métodos, incluyendo el estudio de consumo de electricidad típico de consumidores residenciales y comerciales. Así mismo, se realizan investigaciones de un controlador de batería basado en técnicas de gestión de la demanda (acrónimo en inglés, Demand-Side Management - DSM), como en el corte de picos de demanda de la red y en la reducción de la energía importada de la red. El trabajo realizado para validar la metodología es basado en analices de datos de alta resolución, disponibles en intervalos sub-horarios a partir de datos simulados y medidos. La metodología ha sido validada en tres edificios diferentes bajo diferentes condiciones climáticas en Brasil y en España: un edificio residencial, llamado Casa Ekó, se analiza bajo diferentes condiciones climáticas brasileñas; un edificio comercial, llamado Gomendio, se evalúa bajo las condiciones climáticas de Madrid y, finalmente, un edificio comercial, llamado Eletrosul, se evalúa bajo las condiciones climáticas del sur de Brasil (ciudad de Florianópolis). Cada edificio investigado para rehabilitación energética se divide en diferentes casos, como escenarios sin fotovoltaica, escenarios con sistema fotovoltaico únicamente, casos con sistema fotovoltaico y sistema de almacenamiento de energía de batería (acrónimo en inglés, Battery Energy Storage System - BESS) y casos optimizados con sistema fotovoltaico, BESS y DSM. El estudio de Ekó House se realiza en dos partes: las primeras evaluaciones se realizan solo con sistema fotovoltaico (sin DSM) en cuatro ciudades de Brasil. La segunda parte incluye investigaciones en dos ciudades brasileñas (São Paulo y Brasilia) con sistema fotovoltaico híbrido (combinación de sistema fotovoltaico y BESS) y DSM. El método DSM está basado en el desplazamiento de las cargas a los períodos solares y utiliza un controlador de batería de alto nivel que gestiona los flujos de electricidad en la casa a fin de optimizar las tasas de LMGI. El estudio de caso Gomendio propone la rehabilitación energética de un edificio de oficinas siguiendo los principios de los NZEB y con el objetivo de: (1) reducir el consumo de electricidad del edificio mediante la construcción de técnicas de eficiencia energética (enfoque eficiente del sistema de iluminación); (2) introducir una integración arquitectónica de módulos fotovoltaicos en el cubierta del edificio; (3) reducir los costes en la factura de electricidad a través de la gestión inteligente del sistema FV híbrido; y (4) mejorar el rendimiento energético del edificio en términos de suministro de carga y de interacción con la red eléctrica (indicadores LMGI). El último estudio de caso (edificio Eletrosul) realiza simulaciones de un sistema fotovoltaico a gran escala aliado con DSM y hace uso del consumo anual de electricidad del edificio medido por la compañía eléctrica local. El estudio se concentra en los siguientes objetivos: (1) mejorar el rendimiento energético del edificio en términos de suministro de carga y de interacción con la red (indicadores LMGI); (2) analizar las diferencias entre dos tipos de baterías electroquímicas de alto rendimiento (plomo-ácido y de ion de litio) en términos técnicos y económicos; (3) reducir los costes en la factura de electricidad a través de la gestión inteligente del sistema FV híbrido; (4) diseñar una capacidad óptima del sistema de batería para aumentar tanto los enfoques de suministro carga como el ahorro en la factura de electricidad. En resumen, este trabajo ha buscado evaluar el comportamiento energético de edificios proponiendo alternativas de rehabilitación energética, así como vincularlo con el contexto de las evaluaciones económicas a fin de verificar la rentabilidad de los sistemas propuestos. El estudio ha contribuido al desarrollo de NZEBs equipados con la nueva generación de sistemas fotovoltaicos híbridos y a los impactos del FV con la red en el paradigma de generación distribuida, aspectos relevantes para la disminución de los efectos del cambio climático global, expandir el uso de energías renovables que favorezcan al futuro de las redes inteligentes y de las ciudades sostenibles. ----------ABSTRACT---------- This thesis propose a methodology for the energy refurbishment of buildings by using new generation of Photovoltaic (PV) hybrid systems combined with energy management strategies, in order to optimize the self-consumption of generated electricity and the impacts on the power grid in the framework of national regulations existing in Brazil and Spain, contributing to the development of Net Zero-Energy Buildings (NZEB). The methodology is based on the analyses of Load Matching and Grid Interaction (LMGI) indicators, which characterize the correlation between the local photovoltaic (PV) generation and the load consumption, as well as the electrical interaction with the power grid, an important aspect in the current panorama of distributed generation. Economic parameters are also evaluated, such as operational electricity bill savings, Levelized Cost of Electricity (LCOE), grid parity and payback time, in order to investigate the profitability of the investment. The energy refurbishment propositions are based on multi-objective simulations through various methods, including electricity consumption study of typical residential and commercial consumers and research into a battery controller based on Demand-Side Management (DSM) techniques, such as peak shaving (decrease in power peaks from the grid) and energy cutback (decrease in electricity purchased from the grid). The work performed to validate the methodology is based on the analysis of available high-resolution data (mainly subhourly) from both simulated and measured data. The methodology has been validated in three different buildings under different climatic conditions in Brazil and in Spain: a residential building, called Ekó House, is analysed under different Brazilian climatic conditions; a commercial building, called Gomendio, is evaluated under Madrid climatic conditions and finally, a commercial building, called Eletrosul, is evaluated under southern Brazilian climatic conditions (Florianópolis city). Each building researched for energy refurbishment is divided into different studied cases, such as, scenarios without PV, scenarios with a PV system only, cases with a PV system and Battery Energy Storage System (BESS) and optimized cases provided with a PV system, BESS and DSM. The study of Ekó House is carried out in two parts: the first evaluations are made with the PV system only (without DSM) in four Brazilian State Capitals. The second part includes research into two Brazilian cities (São Paulo and Brasília) with a PV hybrid system (combination of a PV system and BESS) and DSM. The DSM method is based on the displacement of loads to solar periods (load shifting) and makes use of a high-level battery controller that manages the electricity flows in the house in order to improve the LMGI rates. The Gomendio case study proposes the energy refurbishment of an office building following the principles of NZEBs and aiming at: (1) reducing building electricity consumption by means of building energy-efficiency techniques (efficient lighting system approach); (2) introducing an architectural integration of PV modules on the building’s roof; (3) increasing electricity bill savings through the intelligent management of the PV hybrid system; and (4) improving the building’s energy performance in terms of load matching and grid interaction. The last building case study (Eletrosul) makes simulations of a large-scale PV system allied with DSM with BESS and makes use of the yearly building electricity consumption measured by the local utility firm. The study focuses on the following objectives: (1) to improve the building energy performance in terms of load matching and grid interaction; (2) to analyze the differences between two types of high performance electrochemical battery (lead-acid and lithium-ion) in technical and economic terms; (3) to increase electricity bill savings through the intelligent management of the PV hybrid system; (4) to design an optimal battery system capacity in order to increase both, load matching approaches and electricity bill savings. In summary, this work has sought to evaluate the energy performance behaviour of buildings by proposing energy refurbishment alternatives, as the economic assessments context are linked to provide responses to the proposed system’s profitability. The study has contributed to the development of NZEBs equipped with the new generation of PV hybrid systems and to the grid impacts of PV in a distributed generation paradigm, aspects that are relevant in reducing the effects of global climate change, to disseminate the use of renewable energies that favours the future of smart grids and sustainable cities.