Design of a virtual battery system : Add-on service for commercial Finnish solar plants

Abstract

Matching electricity consumption and production becomes an important aspect when a solar plant is added to the electricity system of a building. Companies are currently economically and environmentally incentivized only to install solar plants whose energy production matches the consumption as well as possible. This is due to the excess energy production being not as valuable as production that is consumed instantaneously locally. Such is the case in regions without a net-metering system in place. This study aims to provide means to solve this proposed problem by designing and testing a solution that increases the environmental value of excess solar production from the perspective of a Finnish company that produces solar energy. This should incentivize companies to build larger solar plants, which in turn would increase the additionality of renewable energy.

First, this paper builds a theoretical fundament by examining the standard practices and frameworks in design science research and cyber-physical system development. Based on these two, the initial design and development of the proposed virtual battery artifact is executed. Its functionality and architecture are depicted. The artifact is then demonstrated via a simulation that produces real-world financial and environmental effects of its usage. Lastly, the artifact is evaluated by presenting the artifact and gathering feedback in semi-structured interviews. Seven interviewees were picked randomly from a pool of potential customer base. In addition, the artifact’s design process is mirrored to design science research framework to ensure a rigorous and thorough product.

The demonstration phase showed that oversizing solar plants in Finland led to slight economies of scale effect. Additionally, relative production to own use increased in the spring and fall as a by-product. The interview's key findings were the difficulty in affecting environmental indicators by transferring overproduction between properties. However, contrary to the initial presumptions, the environmental indicators' range was far more concise than thought. The interviewees were surprisingly keen on moving towards producing excess solar energy to their needs. The two main reasons behind this were the set ambitious environmental goals and recently increased financial return on investment due to the elevated electricity prices. Increasing own renewable electricity production was seen as more valuable than purchasing CO2 emission-free electricity due to the concept of renewable additionality. On the other hand, the proposed virtual battery system also raised a few concerns. These concerns were limited to mainly two issues: the power purchase agreement model and recognition of transferred overproduction by environmental indicator administrators. In combination with the proposed virtual battery system, the power purchase agreement model would lead to diminishing profitability. These two issues need to be considered in future development.

Kun rakennuksen energiajärjestelmään lisätään aurinkovoimala, sähkön kulutuksen ja tuotannon oikea-aikaisuuden merkitys kasvaa ratkaisevasti. Nykytilassa yritysten on niin rahallisesti kuin ympäristökannaltakin kannattavaa rakentaa aurinkovoimaloita ainoastaan, mikäli niiden tuotanto ja kulutus kohtaavat ajallisesti mahdollisimman hyvin. Ylituotannon tuottaminen ei ole yrityksille kannattavaa, etenkään alueilla, jossa sähkön netotusmittaus ei ole käytössä. Tämän tutkimuksen tavoitteena on tarjota ratkaisu kyseisen ongelman selättämiseksi. Tutkimuksessa on suunniteltu ja testattu ratkaisua, joka lisää aurinkovoimalan ylituotannon ympäristöarvoa suomalaisen yrityksen näkökulmasta. Kuvattu ratkaisu kannustaisi onnistuessaan yrityksiä rakentamaan kookkaampia aurinkovoimaloita, mikä vuorostaan nostaisi todellista uusiutuvan energian lisäävyyttä.

Tutkimuksen teoreettinen pohja rakentuu suunnittelutieteessä sekä kyberfysikaalisten järjestelmien kehittämisessä yleisesti käytetyistä viitekehyksistä sekä käytännöistä. Virtuaaliakkuartefaktin suunnittelu sekä luominen on toteutettu tämän teoreettisen pohjan perusteella. Tutkimuksessa kuvataan artefaktin toiminnallisuus sekä arkkitehtuuri. Artefaktia demonstroidaan simulaatiolla, jonka avulla saadaan selville sen käytöstä koituvat rahalliset sekä ympäristölliset vaikutukset. Lopuksi artefaktin onnistumista arvioidaan esittelemällä se osana teemahaastatteluja. Haastateltavia oli seitsemän, ja heidät valittiin sattumanvaraisesti artefaktin potentiaalisten asiakkaiden joukosta. Viimeiseksi tutkimuksessa tehty suunnitteluprosessi peilattiin suunnittelutieteen viitekehykseen, perusteellisen lopputuloksen takaamiseksi.

Demonstraatiovaiheessa kävi ilmi, että aurinkovoimaloiden ylimitoitus johti pieneen mittakaavaetuun, ja suhteellinen tuotanto omaan käyttöön lisääntyi keväällä ja syksyllä. Haastatteluissa kävi ilmi, että ympäristövaikutusten mittareihin oli odotettua vaikeampaa vaikuttaa ylituotantoa siirtämällä. Tosin, käytettyjen mittareiden laajuus sekä niiden mielletty tärkeys olivat oletettua suppeammat sekä pienemmät. Haastateltavat olivat yllättävän innokkaita siirtymään tuottamaan ylituotantoa aurinkovoimaloilla. Tähän liittyi kaksi pääsyytä; yrityksien kunnianhimoiset ympäristötavoitteet sekä kohonneesta sähkön hinnasta johtuva aurinkovoimaloiden takaisinmaksuajan lyheneminen. Oman uusiutuvan sähköntuotannon lisääminen koettiin uusiutuvien energiamuotojen lisäävyyden vuoksi arvokkaammaksi kuin hiilidioksidipäästöttömän sähkön ostaminen. Toisaalta esitetty artefakti nosti esiin myös muutamia huolenaiheita. Nämä huolenaiheet rajoittuivat pääasiassa nykyiseen aurinkoenergian sähkönostosopimuksen malliin sekä ympäristömittareiden toimintatapaan olla tunnustamatta siirrettyä aurinkoenergiaa. Sähkönostosopimuksella asennettu aurinkovoimala yhdistettynä virtuaaliakkuratkaisuun tarkoittaisi todennäköisesti rahallisen kannattavuuden laskua. Nämä kaksi asiaa on huomioitava ratkaisun tulevassa kehityksessä.