nanogrids for home application in a power cloud framework

17
NanoGrids for Home Application in a Power Cloud Framework D. Menniti, A. Pinnarelli, N. Sorrentino, A. Burgio, G. Brusco, V. Frascà, L. Mendicino, and M. Mercuri Department of Mechanical, Energy and Management Engineering (DIMEG) University of Calabria Via Bucci 42C, Arcavacata di Rende - CS, Italy

Upload: alessandro-burgio

Post on 13-Jan-2017

20 views

Category:

Engineering


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: NanoGrids for Home Application in a Power Cloud Framework

NanoGrids for Home Application in a Power Cloud Framework  D. Menniti, A. Pinnarelli, N. Sorrentino, A. Burgio, G. Brusco, V. Frascà, L. Mendicino, and M. Mercuri

Department of Mechanical, Energy and Management Engineering (DIMEG)University of Calabria Via Bucci 42C, Arcavacata di Rende - CS, Italy

Page 2: NanoGrids for Home Application in a Power Cloud Framework

The paper shows the higher economic benefit a prosumer may reach when he adopts a nanogrid in a Power Cloud framework instead of in a stand alone framework. 

Summary

Page 3: NanoGrids for Home Application in a Power Cloud Framework

A nanogrid for home applicationNanogrids are small dc microgrids  (generally not over 5 kW) which  typically serve a single building  or  a  single  home.  The  nanogrid  interconnects  generation  units  and  plants  (PV, micro-CHP Stirling-engine, gas micro-turbines, fuel cells, etc.) and electric storage systems. Micro-sources,  storage  systems  and  loads  are  connected  to  a  common  dc  bus  through appropriate power converters.

The  Power  Electronic  Interface  (PEI)  is  a  bidirectional  power  converter  that  regulates  the power flow between the nanogrid and the grid. The PEI allows the nanogrid to operate as a single  system,  providing  ancillary  services  to  the  grid.  IEC  61850-720  communication  is available. 

Page 4: NanoGrids for Home Application in a Power Cloud Framework

Power Cloud as a model

Power  Cloud  is  a  management  and  business  model  applicable  to  the  Integrated Community  Energy  Systems  (ICESs)  that  is  locally  and  collectively  organized  energy systems.

Power Cloud  is  a  feasible  solution  for  put  in practice  the  concept  of  sustainable  energy communities,  community  energy  systems,  micro-grids  community,  and  peer-to-peer energy.

Page 5: NanoGrids for Home Application in a Power Cloud Framework

Urban and rural areaA PV system on the rooftop is an easy and cost-effective way to independently fulfil a part of own electricity demand,  reduce  the  electric  bill,  generate  savings,  contribute  to  the  exploitation  of  renewable  energy sources, and contribute to the environmental preservation by reducing the greenhouse gas emissions. Such an opportunity is evidently reserved to those users which have ample space for installing a PV system; on the contrary, it is denied to those users which, as an example, live in apartment building. 

Local demand    Remote demand

Local demand    Remote demand

Page 6: NanoGrids for Home Application in a Power Cloud Framework

Power Cloud for social development

Citizens may produce energy and participate in the electricity market, selling energy to the formers.  The  electricity  market  is  accessible  to  all  citizens  that  become  real  market operators  in aggregate  form. Such a  transformation would have an  immediate economic return, relying on price margins that exist between the wholesale and retail prices. 

Citizens in urban area and those in rural area  are  joined  in  a  process  of  social   development where exploiting RESs and self-consumption are two main pillars. 

Citizens in rural area, which have large area, oversize their PV plants so to generate electricity for those living in the downtown and which cannot install a PV plant on rooftop.

Page 7: NanoGrids for Home Application in a Power Cloud Framework

Members of Power CloudMembers are:

Simple Generation Systems      Power Cloud Consumers                 Power Cloud Prosumers

Members are managed by the aggregator, i.e. Community  Energy  Provider  (CEP),  which  is  a no-profit  entity  which  legally  represents  the community.  The  CEP  is  the  power  dispatcher. The  CEP  interfaces  the  Power  Cloud  and  the market /system operators. The CEP ensures the functionalities of the whole system.

Page 8: NanoGrids for Home Application in a Power Cloud Framework

Simulating the Power CloudNumerical experiment were carried out so to calculate a feasible Power Cloud. Below four fundamental rules which have been adopted for simulating power cloud.

1. The electricity not self-consumed by prosumers is given to power cloud for free (export price is zero);

2. The cost-free electricity provided by prosumers  is  sold  to  consumers at a discounted price (25% less than the PE i.e. price suggested by the authority each 3 months )

3. The cost-free electricity provided by prosumers and not  sold  to consumers  is  sold  to the wholesale market (zonal price);

4. The  electricity  price  paid  to  simple  generation  systems  is  5%  higher  than  the  zonal price;

5. The electricity cost for the prosumers is the PE.

Prosumers Consumers Simple generation systems

Page 9: NanoGrids for Home Application in a Power Cloud Framework

The consumer/prosumer type

3kW contractual power5621 kWh/year

3kWp PV plant, 1400 €/kWp

3kW-3kWh EESS, DOD_lead 50%, DOD_lithium 30%, RTE 80%, tax deduction equal to 50% of the investment costs spread over 10 years

5kW nanogrid, ……. 

A consumer

3kW contractual power5621 kWh/year

A prosumer

How much it costs????

PV plant placed in Southern Italy (PVGIS)

Page 10: NanoGrids for Home Application in a Power Cloud Framework

Nanogrid cost: a prototypeA  3.3kW  prototype  of  a  3-phases  nanogrid  has  been  designed  and  built  in  the laboratory of Electric Power Systems and Renewable Energy Sources (LASEER).The  prototype  to  implements  the  innovative  business/management  model  of  Power Cloud. The prototype  is able to move the user from  “Consumer” to “Prosumer”, from “business as usual”  to  “power cloud”.  For  the  real time control,  the prototype adopts the  dc  bus  signalling  (DBS)  control  strategy.  The  DBS  control  strategy  has  been implemented  in  a  prioritized  fashion  so  to  maximize  the  use  of  renewables  and  to maximize self-consumption.

Page 11: NanoGrids for Home Application in a Power Cloud Framework

The consumer/prosumer type

3kW contractual power5621 kWh/year

3kWp PV plant, 1400 €/kWp

3kW-3kWh EESS, DOD_lead 50%, DOD_lithium 30%, RTE 80%, tax deduction equal to 50% of the investment costs spread over 10 years

5kW nanogrid, 4300€_lead, 5000€_lithium 

A consumer

3kW contractual power5621 kWh/year

A prosumer

PV plant placed in Southern Italy (PVGIS)

Page 12: NanoGrids for Home Application in a Power Cloud Framework

Two alternative frameworks

Power Cloud Framework

1) Can you go into debts?

2) Are you a credit worthy customer?

3) Will your income be so high in the next 10 years to release off tax 

deduction?

Stand Alone Framework1. Contact the Power Cloud;2. Adhere to Power cloud;3. Enjoy the installation of your PV, EESS, 

Nanogrid;4. Pay preferential tariff for electricity bill 

and installment;5. Do not release any Tax deduction;6. Export your electricity at 0 €/MWh.

1. Go to Bank and ask for a loan (9 %, 20 years);2. Complete administrative procedures;3. Install PV, EESS, Nanogrid;4. Pay bill and installment;5. Release Tax deduction for 10 Years;6. Export your electricity at 39 €/MWh.

1

2

3

No

Yes

Yes

No

No

??

Yes

Page 13: NanoGrids for Home Application in a Power Cloud Framework

Time interval Cost/year [€] Cost [€] Saving [€]

Business as usual 0-20 1392,67 27853,40 0,00

Lead EESS without tax deduction

0-10 1773,60 22546,00 5307,4010-20 481,60

Lead EESS with tax deduction *

0-10 1348,69 18296,90 9556,5010-20 481,60

Lithium EESS without tax deduction

0-101829,9 22618,50 5234,90

10-20 431,95

Lithium EESS with tax deduction *

0-10 1369,95 18019,00 9834,4010-20 431,95

Stand alone framework

* tax deduction equal to 50% of the investment costs spread over 10 years. 

Choice 0

Choice 1

Choice 2

Choice 3

Choice 4

Page 14: NanoGrids for Home Application in a Power Cloud Framework

Time interval Cost/year [€] Cost [€] Saving [€]Bussiness as usual 0-20 1392,67 27853,40 0,00

Stand alone and Power cloud framework

For  all  those users which  cannot  chose  the  stand alone  framework Power  cloud allows  them  to achieve almost equal saving. Cost/Year is obtained as sum of:

• Bussiness as usual:  1392,67 =   1138,47 + 254,20• Stand alone: 1369,95 =     412,10 +   60,70 + 1398,50 – 460,00  –  41,35• Power Cloud: 1323,00 =     412,10 +   60,70 +   850,20  –     0,00  –    0,00

Installment in Power Cloud reduces because 1) the price for a nanogrid reduces from 5000 € to 3000 € due  to  economies  of  scale  2)  the  loan  lenght  reduces  from  9%  to  2% when  Power  Cloud  is  put  in practice by Public Administration.

(EG)        (Tax)         (Inst)      (Deduc.)    (ExP)    

Lithium EESS with deduction

0-10 1369,9518019,00 9834,40

10-20 431,95

Lithium EESS without deduction

0-10 1323,0017958,20 9895,20

10-20 472,82

Page 15: NanoGrids for Home Application in a Power Cloud Framework

A feasible Power cloud

Gestore dei Mercati Energetici (GME): costs due to the access for the exchange energy platform and energy trading fees; b) Terna (TSO): costs due to guarantees, dispatching and real time power imbalances; c) Distribution System Operator (DSO): energy transport and system charges; d) Agenzia delle Dogane e Monopoli (ADeM): excise duty; e) Aggregator: daily operations of PC management such as the billing system, measurement, software, personnel and general expenses.

A Power Cloud of 4037 members has revenues from the energy sale to the 1011 users and to the whosale market; these revenues are 300 000€ and they balance the costs. 

A  feasible  Power  Cloud  as  4037 members.  Among members,  1011  of  them  have  not  a nanogrid, any PV plant, any EESS; they buy electricity from Power Cloud and benefit of a discount  of  25% on  electricity  price.  Among  them,  3025 of  them have  a  nanogrid,  a  PV plant and an EESS;  they buy and sell  electricity  inside  the power cloud  to members and outside to the whosale market. It remains 1 member with an equivalent 9 MW PV plant.Why a Power Cloud of 4037 members? 

The Power Cloud  is a no-profit organization. A Power Cloud of 4037 members has costs; these costs are estimated being 300 000 € (about 75  € member/year. 

Page 16: NanoGrids for Home Application in a Power Cloud Framework

ConclusionThe  paper  demonstrated  the  higher  economic  benefit  a  prosumer may  reach  when  he adopts a nanogrid in a Power Cloud framework instead of in a stand alone framework.

A Power Cloud framework also:- allows  a  wider  spread  of  electricity  storage  systems  –  so  to  maximize  the  self consumption – preventing incentive policies from Governments.

A Power Cloud also favorites:- the exploitation of renewables sources;- the economic growth of less-affluent Regions;- the participation and the involvement of citizens;- the reinforcement of schemes of mutual support. 

Page 17: NanoGrids for Home Application in a Power Cloud Framework

Thank you for your attention

 D. Menniti, A. Pinnarelli, N. Sorrentino, A. Burgio, G. Brusco, V. Frascà, L. Mendicino, and M. Mercuri

Department of Mechanical, Energy and Management Engineering (DIMEG)University of Calabria Via Bucci 42C, Arcavacata di Rende - CS, Italy