Energy management of a hybrid energy storage system in a single-family house including e-car mobility

Abstract

The transition into the new era in transport sector after the invasive introduction of electromobility and the already established tactic of the installation of small-scale renewable energy units in the domestic sector force to the exploration of an undiscovered aspect of energy allocation if the individual components are synthesized into an ensemble which is supported from storage devices. The existence of a unique battery system is already a widespread policy in the new renewable installations. It is though common knowledge that none of the existing storage systems is from physical aspect steadily efficient under each operational condition, whereas it still remains partly explored the coupling of two storage systems, which from structural point of view are complementary.Stimulated from the abovementioned concept in the frame of this research it is attempted to delimitate the capability of a hybrid energy storage system (HESS) so as to support the domestic load demand of a single family house in a central north area in Germany which is accumulated from the load demand of a E-vehicle which is used for commute reasons of the family and always charges at home. The designed HESS is composed of PV installation, two storage devices, namely a lead acid battery system (LAB) and a vanadium redox flow battery (VRB), as well as the respective load demand of the previously referred dwelling. The application ought to consume as much as possible of the on-site renewable generation and to minimize the interaction between the grid and the system.So as to succeed an optimized utilization of the dual storage system a novel algorithm is developed based on the Markov Decision Process, according to which the priority for charging and discharging process is assigned to the storage facility which depicts a favorable performance under the given conditions. This is accomplished through a reward/ penalty policy which is by default integrated into the Markov Decision Process and is respectively adapted while it depends on the efficiency curves of the storage devices and the amount of the demanded or surplus of power. The main target is to reduce the great fluctuations between the building and the grid and succeed a higher rate of self-energy consumption.The designed method tackles the problem of controlling a dual storage installation in the domestic sector, when considering the electric vehicle charging requirements and contributes to the management of the energy flow into a novel system topology with the introduction of reinforcement learning tools.The results are evaluated after the comparison of the designed technique with a benchmark method which stems from the physical attributes of the battery systems and the evaluation metrics are two index factors which are respectively computed with real registered input data stemming from annual simulations as well as from an indicatively chosen sunny period, which is particularly selected in order to study the behavior of the complete system under high production PV rates. It is thereby proved that a control algorithm is essential in order to fully leverage the key resources.

Η μετάβαση σε μια νέα εποχή στον τομέα των μεταφορών μετά την εισαγωγή της ηλεκτροκίνησης και η ήδη καθιερωμένη τακτική εγκατάστασης μονάδων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας μικρής κλίμακας στον οικιακό τομέα ωθούν στην εξερεύνηση μιας άγνωστης πτυχής της κατανομής ενέργειας εάν τα επιμέρους στοιχεία δημιουρούν ένα δίκτυο που υποστηρίζεται από συσκευές αποθήκευσης. Η ύπαρξη ενός μοναδικού συστήματος μπαταριών αποτελεί ήδη μια ευρέως διαδεδομένη πολιτική αποθήκευσης στις νέες εγκαταστάσεις ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Ωστόσο είναι επίσης γνωστό ότι κανένα από τα υπάρχοντα συστήματα αποθήκευσης δεν είναι σταθερά αποδοτικό υπό κάθε συνθήκη λειτουργίας, ενώ εξακολουθεί να μην έχει διερευνηθεί πλήρως η σύζευξη δύο συστημάτων αποθήκευσης, τα οποία από είναι συμπληρωματικά στον τομέας της αποδοτικότητας. Αφορμώμενη από το προαναφερθές σχέδιο επιχειρείται στο πλαίσιο αυτής της έρευνας να οριοθετηθεί η ικανότητα ενός υβριδικού συστήματος αποθήκευσης ενέργειας να υποστηρίξει τη ζήτηση οικιακού φορτίου μιας μονοκατοικίας σε μια κεντρική βόρεια περιοχή στη Γερμανία, το οποίο προκύπτει από τη ζήτηση φορτίου ενός ηλεκτρικού οχήματος που χρησιμοποιείται για λόγους μετακίνησης της οικογένειας και φορτίζει πάντα στο σπίτι. Το σχεδιασμένο υβριδικό σύστημα αποθήκευσης ενέργειας αποτελείται από μια εγκατάσταση φωτοβολταΐκών, δύο συσκευές αποθήκευσης, συγκεκριμένα ένα σύστημα μπαταρίας μολύβδου και μιας μπαταρίας οξειδοαναγωγής βαναδίου, καθώς και την αντίστοιχη ζήτηση φορτίου της κατοικίας που αναφέρθηκε προηγουμένως. Το σύστημα θα πρέπει να καταναλώνει τη μέγιστη δυνατή παραγωγή ενέργειας από τα φωτοβολταΐκα και να ελαχιστοποιεί την αλληλεπίδραση μεταξύ του δικτύου και του συστήματος. Για να επιτευχθεί μια βελτιστοποιημένη χρήση του συστήματος διπλής αποθήκευσης, αναπτύσσεται ένας νέος αλγόριθμος με βάση τη Μαρκοβιανή Διαδικασία Απόφασης, σύμφωνα με την οποία προτεραιότητα για τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης δίδεται στην εγκατάσταση αποθήκευσης που διαθέτει την βέλτιστη απόδοση υπό τις δεδομένες συνθήκες. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω μιας πολιτικής επιβράβευσης/ποινής, η οποία είναι εξ ορισμού ενσωματωμένη στη Μαρκοβιανή Διαδικασία Απόφασης και προσαρμόζεται αντίστοιχα ενώ εξαρτάται από τις καμπύλες απόδοσης των συσκευών αποθήκευσης και την ποσότητα της απαιτούμενης ή πλεονάζουσας ισχύος. Ο κύριος στόχος είναι να μειωθούν οι μεγάλες διακυμάνσεις στην ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ του κτιρίου και του δικτύου και να επιτευχθεί υψηλότερος βαθμός αυτονομίας. Η σχεδιασμένη μέθοδος αντιμετωπίζει το πρόβλημα του ελέγχου μιας εγκατάστασης διπλής αποθήκευσης στον οικιακό τομέα, όταν λαμβάνονται υπόψη οι απαιτήσεις φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων και συμβάλλει στη διαχείριση της ροής ενέργειας σε μια νέα τοπολογία συστήματος με την εισαγωγή ενισχυτικών εργαλείων εκμάθησης. Τα αποτελέσματα αξιολογούνται μετά από σύγκριση της σχεδιασμένης τεχνικής με μια μέθοδο αναφοράς που προέρχεται από τα φυσικά χαρακτηριστικά των συστημάτων μπαταριών και οι δείκτες αξιολόγησης είναι δύο παράγοντες που υπολογίζονται αντίστοιχα με πραγματικά καταχωρημένα δεδομένα εισόδου που προέρχονται από ετήσιες προσομοιώσεις καθώς και από μια ενδεικτικά επιλεγμένη ηλιόλουστη περίοδο, η οποία επιλέχθηκε για τη μελέτη της συμπεριφοράς ολόκληρου του συστήματος σε υψηλούς ρυθμούς παραγωγής Φ/Β. Αποδεικνύεται έτσι ότι ένας αλγόριθμος ελέγχου είναι απαραίτητος για την πλήρη αξιοποίηση των βασικών πόρων.