Electricity Usage in Smart Village Skarpnes

Målet med prosjektet "Elektrisitetsbruk i det Smarte Boligfeltet Skarpnes" var å undersøke hvordan det elektriske distribusjonsnettet kan utformes og styres på en optimal måte i fremtiden. Lavenergihus med lokal energiproduksjon fra fotovoltaiske (PV) systemer setter nye krav til effektkapasitet i elektrisitetsnettet. Nye energieffektive apparater kan ha stort effektbehov. Nettleieutgifter er nå større enn kostnader for elektrisk energi. Det betyr at vi må håndtere maksimalt effektforbruk, kW, i tillegg til energiforbruket, kWh. Prosjektet har samlet inn data fra fem "nesten null energi" hus bygget på Skarpnes, sør for Arendal. Skanska bygde husene i 2014 og 2015. Dataene er unike fordi dette er det første null-energi boligfeltet i Norden. Boligene var utstyrt med instrumentering som målte virkelige forbruksdata. Strømproduksjonen fra PV-systemet ble overvåket sammen med innstråling og temperatur for å beregne systemets ytelse. Netto elektrisk forbruk og produksjon fra hvert hus ble kontinuerlig registrert av en AMS-type elektrisitetsmåler og en Elspec effektkvalitetsmåler med høy tidsoppløsning. Slike omfattende data er ikke tilgjengelig fra noen annen kjent kilde i Norge. Skarpnes boligene har ikke nådd målet om "nesten null energi", men det årlige netto energiforbruket er mye lavere enn et typisk norsk hus. Tilbakemeldinger fra huseierne bekrefter at husene er svært komfortable å bo i. Målingene viser variasjon i netto energiforbruk for de fem husene. Dette har flere årsaker: Personlige preferanser, oppsett av kontrollsystemer for oppvarming og ventilasjon, samt bruk av systemene inkludert ekstra apparater plugget inn i støpslene. Det årlige netto energiforbruket ser ut til å være avtagende, noe som tyder på at optimalisering av kontrollsystemet er mulig. Prosjektet samarbeidet med Scanmatic for utformingen og installasjonen av det tekniske måleutstyret, og samarbeidet med følgende separate forskningsprosjekter ledet av Sintef: (i) ZEB - Research Center on Zero Emission Buildings, og (ii) EBLE - Evaluering av boliger med lavt energibehov. PV-systemene på Skarpnes har noe høyere årlig produksjon enn forventet. Husene har ulik orientering i asimutvinkel (øst-vest), hvilket resulterer i små forskjeller i produksjonsprofilene. Dette gir et innblikk i variasjonen i samtidighetsfaktoren mellom produksjon og forbruk under ellers tilnærmet identiske forhold. Universitetet i Agder og Teknova har i samarbeid med Agder Energi Nett utviklet metoder for mønstergjenkjenning for å identifisere strømtopper i forbruksprofiler hos elektrisitetskunder. Prosjektet har undersøkt individuelle og aggregerte effektbehov for å avgjøre hvordan distribusjonsnettet vil bli påvirket av null-energihus i fremtiden. Dette er viktig informasjon for Agder Energi Nett for å planlegge fremtidige nettoperasjoner. Maksimalt strømforbruk viser seg å være mer enn ti ganger gjennomsnittet. Derfor har teknologi som styrer strømforbruket et potensial for stor reduksjon av fremtidige kostnader knyttet opp mot behovet for større nettkapasitet. Distribusjonsnettets kapasitet er basert på det kombinerte effektforbruket fra grupper av boliger. Fordi maksimalt strømforbruk ikke oppstår samtidig, er det maksimale forbruket totalt for de fem husene svært sjelden mer enn 2,5 ganger maksimalt forbruk fra ett av husene, i stedet for 5 ganger. Nettkapasiteten må også være tilstrekkelig for å kunne ta imot den kombinerte eksporterte PV-produksjonen fra en gruppe boliger. Selv om maksimal produksjon ikke oppstår samtidig for de fem husene er det ikke tilstrekkelig for en utjevning, og maksimal eksport av effekt totalt for de fem husene er omtrent 5 ganger den maksimale effekten eksportert fra ett av husene. Et energilagringssystem fra Eltek (ESS) har vært i drift siden slutten av 2015. ESS-systemet har vist at maksimalt strømforbruk kan begrenses, og alternativt at selvforbruk av solenergi kan maksimaliseres. Omformerne i systemet har også muligheten til å forbedre effekt-kvaliteten ved å balansere faser og stabilisere spenningen ved å justere reaktiv effekt. Skarpnes-dataene viser at store nøytrale fasestrømmer kan oppstå når effekt importeres og eksporteres samtidig på ulike faser. Hovedårsaken til store nøytrale fasestrømmer er ubalanserte faser. Løsninger for dette er 1) å unngå store enkelt-fase laster, eller 2) å installere lagringssystemer og PV-systemer som bruker omformere med evne til å balansere strøm på alle tre fasene. Skarpnes-dataene viser også at når strømmen i fasene ikke er balansert og strøm importeres og eksporteres samtidig på ulike faser, må både energitariffer og strømtariffer baseres på målinger fra alle tre faser. Tariffer basert på total energi eller total effekt vil ikke resultere i riktige kostnader for plusskunder. Dette er viktig for fremtidige forretningsmodeller og for driften av det lokale distribusjonsnettet.

The present project aims to supplement two large on-going research projects on Smart Grids in Norway, Demo Steinkjer and Smart Energi Hvaler. Complementary data and results will be collected by monitoring the electricity use in 5 zero houses all of which will produce electricity with solar cells. The houses are located at Skarpnes in Arendal and were built by Skanska. Norwegian authorities plan to introduce the passive house standard as a requirement for new buildings from 2015. To be able to dimension the electricity grid in areas dominated by passive houses it is necessary to learn how load profiles in passive and zero houses differ from those of traditional houses. In 2020 the building regulations might be even stricter, as there are plans to introduce zero energy buildings as a requirement for new residential buildings. This will enhance the need for new modeling tools for grid planning, tools that must take into account the electricity production from distributed electricity generation as well as new load profiles. By 2019 the plan is that all electricity consumers must have installed meters registering their electricity consumption every 15 minutes. Seen in combination with the above mentioned changes in energy performance of new houses, this outlines a future with new opportunities and challenges for the grid operators. In the research project "Electricity usage in Smart Village Skarpnes" data from automatic metering systems, AMS, will be used to monitor load profiles and electricity production in the new zero energy houses at Skarpnes. Additional high performance meters will monitor demand and production from the five houses and the local substation, at a very high frequency so that power quality can be monitored. A residential-size electrical- storage system is also connected to the system. This provides data on the critical issue of load shifting for demand management. The site offers a unique opportunity to study a number of buildings to prepare for the future. The project is gaining experience and data that will be used to plan the future electricity grid. Expansions and up-grades of the electricity grid are expensive so careful and accurate planning will be of great value for the distribution grid operators.