Technical-economic feasibility and simulation of ÉTS' electricity saving with photovoltaic system and batteries

Dias da Cruz, Fernando (2019). Technical-economic feasibility and simulation of ÉTS' electricity saving with photovoltaic system and batteries. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The goal of this Master’s thesis is to make a technical-economic feasibility study and a yearly simulation of École de Technologie Supérieure’s electricity expenses and savings with and without a Solar Photovoltaic System, Battery Energy Storage System, financial incentives or demand response, taking into account the Quebec and Ontario electricity rates in 2017.

Six scenarios are proposed and simulated in a 5-minute interval with 2017 ÉTS power data, Montreal’s solar irradiance and temperature and all Quebec and Ontario’s electricity charges for a 5 MW customer as ÉTS. All simulations were obtained with Matlab SimScape Power System, where each system was analyzed separately and/or together, as followed:

0) Baseline Scenario: ÉTS in Ontario and Quebec with electricity standard rates;
1) ÉTS in Ontario with financial incentive and in Quebec with demand response;
2) ÉTS in Ontario with financial incentive and Photovoltaic Arrays (150kW) as well as in Quebec with standard rates and PV Arrays;
3) ÉTS in Ontario with financial incentive, PV Arrays (150 kW) and Batteries (250 kW) as well as in Quebec with demand response, PV Arrays and Batteries;
4) ÉTS in Ontario with financial incentive and Batteries (250 kW) as well as in Quebec with demand response and Batteries;
5A / 5B) ÉTS in Ontario with financial incentive, batteries with Time of Use pricing (250 kW) (5A) and also with Photovoltaic Panels (150 kW) (5B);
6) ÉTS in Ontario with financial incentive, PV Arrays (500 kW) and Batteries (250 kW) as well as in Quebec with demand response, PV Arrays and Batteries;

First, the simulation showed that PV System reduced the 5 MW peak power and energy consumption in both provinces, while battery energy storage system reduced the peak power and allowed the participation in the demand response program, GDP, in Quebec. Secondly, Energy and Power costs represented around 93% and 7% of a yearly bill in ON, while 61% and 39% in QC, respectively. Also, the simulation results indicated that the electricity rate variance between both provinces is huge, where it is around four times more expensive in ON than in QC, around 0.27 $/kWh and 0.057 $/kWh, respectively. The simulation also showed that the price per kWh was reduced up to 13.77% in ON from 0.3025 $/kWh to 0.2608 $/kWh and up to 6.08% in QC, from 0.0571 $/kWh to 0.0536 $/kWh, after adding PV systems, Batteries and financial incentives or demand response program.

Furthermore, the simulation indicated a yearly energy saving of 412.77 MWh from MATLAB SimScape Power System and 260.53 MWh from RETScreen for electricity exported to the grid, by using a 150 kW PV Arrays (3% of 5MW from ÉTS). Also, 1,376.95 MWh yearly energy savings from MATLAB and 868.42 MWh from RETScreen, by using a 500 kW PV Arrays (10% of 5MW from ÉTS). The variance around 50% lower on RETScreen indicates a more accurate method for energy saving, with some different input data (solar irradiance and temperature) and higher loss coefficient on RETScreen.

The technical-economic feasibility indicated that a Solar PV System is economically feasible in Ontario, where an annual saving of $151,574.73 was reached for a 150 kW MPP, with a $873,050 investment, high IRR, high NPV and low payback period. Based on this potential electricity saving using a PV System, a random higher MPP of 500 kW was simulated, where an annual saving of $493,515.15 for $2,773,435 Investment, higher NPV, higher IRR and a lower payback than 150 kW were reached, due to economies of scale. No PV System was economically feasible in QC, due to its low electricity price. Also, the 250 kW BESS is not economically feasible neither in ON nor in QC, due to a high investment, low annual energy saving and a high payback period.

In Ontario, ÉTS should utilize a system of 500 kW of Photovoltaic System or higher, without any batteries, in order to achieve a considerable reduction in the yearly bill and on the price per kWh, with a low payback period and high IRR and NPV. Also, the participation of the Wholesale market held by IESO through bids to reduce the electricity cost/kWh, pay the GA by consumption or PDF (9% of yearly bill reduction) and participate of the Demand Response Auction by IESO.

In Quebec, ÉTS should utilize a 250 kW BESS without any Photovoltaic Arrays, to reduce the peak power over 5 MW and participate of the GDP’s demand response program by HQ, but only if there is a financial incentive or donation to acquire the equipment from a supplier or the government, as it is going to occur to ÉTS. Otherwise, neither Photovoltaic system nor batteries banks are recommended.

Titre traduit

Faisabilité technique-économique et simulation d’économie d’électricité d’ÉTS avec le système photovoltaïque et des batteries

Résumé traduit

L'objectif de ce mémoire est de réaliser une étude de faisabilité technico-économique et une simulation annuelle des dépenses et des économies d'électricité de l'École de Technologie Supérieure avec et sans système solaire photovoltaïque, système de stockage d'énergie par batterie, d'incitations financières ou de réponse à la demande, en tenant compte des facteurs suivants: les tarifs d'électricité du Québec et de l'Ontario en 2017.

Six scénarios sont proposés et simulés dans un intervalle de 5 minutes avec les données de puissance électrique de l’ÉTS en 2017, l’irradiance solaire et la température de Montréal et l’ensemble des charges d’électricité du Québec et de l’Ontario pour un client de 5 MW comme l’ÉTS. Toutes les simulations ont été réalisées avec le logiciel MATLAB SimScape Power System, où chaque système a été analysé séparément et / ou ensemble, comme suit:

0) Scénario de base: L'ÉTS en Ontario et au Québec avec des tarifs standard d'électricité;
1) l’ÉTS en Ontario avec incitatif financier et au Québec avec réponse à la demande;
2) l'ÉTS en Ontario avec incitatif financier et de système photovoltaïque (150 kW) ainsi qu'au Québec avec les tarifs standards et de système photovoltaïque;
3) l'ÉTS en ON avec incitatif financier, de système photovoltaïque (150 kW) et des batteries (250 kW), ainsi qu'au QC avec la réponse à la demande, de système PV et des batteries;
4) ÉTS en Ontario avec incitatif financier et des batteries (250 kW) ainsi qu'au Québec avec réponse à la demande et des batteries;
5A / 5B) l’ÉTS en Ontario avec incitatif financier, des batteries avec tarification à l'utilisation (250 kW) (5A) et avec des panneaux photovoltaïques (150 kW) (5B);
6) l'ÉTS en ON avec incitatif financier, de système photovoltaïque (500 kW) et des batteries (250 kW), ainsi qu'au QC avec la réponse à la demande, de système PV et des batteries;

Premièrement, la simulation a montré que les panneaux photovoltaïques réduisaient le pic de puissance de 5 MW et la consommation d’énergie dans les deux provinces, tandis que les batteries réduisaient le pic de puissance et permettaient la participation au programme de réponse à la demande, GDP, au Québec. Deuxièmement, le coût de l'énergie et de puissance représentent environ 93% et 7% de la facture annuelle en ON, respectivement et 61% et 39% au QC. De plus, les résultats de la simulation indiquent que la différence de prix de l’électricité entre les deux provinces est énorme. C’est autour quatre fois plus cher en Ontario qu’au Québec, soit environ 0.27 $/kWh et 0.057 $/kWh, respectivement. La simulation a également montré que le prix par kWh avait été réduit de 13.77% en Ontario, passant de 0.3025 $/kWh à 0.2608 $/kWh et au Québec, de 6.08%, passant de 0.0571 $/kWh à 0.0536 $/kWh, après avoir ajouté des systèmes PV, des batteries, d’incitation financier ou de réponse à la demande.

En outre, la simulation indiquait une économie d'énergie annuelle de 412,77 MWh sur MATLAB SimScape et de 260.53 MWh dans RETScreen pour ‘l'électricité exportée vers le réseau’ en utilisant des panneaux photovoltaïques de 150 kW (3% de 5 MW de l'ÉTS). En outre, MATLAB a réalisé des économies d'énergie annuelles de 1,376.95 MWh et dans RETScreen de 868.42 MWh en utilisant des panneaux photovoltaïques de 500 kW (10% de 5 MW de l'ÉTS). La variance d'environ 50% inférieure dans RETScreen indique une method plus précise que MATLAB, par l’économie d'énergie, avec différentes données des inputs (d'irradiance solaire, température) et des coefficients de perte plus élevés dans RETScreen.

La faisabilité technico-économique indiquait que le système solaire photovoltaïque était réalisable sur le plan économique en Ontario, où une économie annuelle de $151,574.73 avait été réalisée pour un MPP de 150 kW, avec un investissement de $873,050, un TRI et une VAN élevé et une période de retour sur investissement basse. Sur la base de cette économie d’électricité potentielle liée à l’utilisation de panneaux photovoltaïques, un MPP supérieur aléatoire de 500 kW a été simulé. Les chiffres suivants ont ainsi été obtenus: une économie annuelle de 493,515.15 dollars canadiens pour un investissement de 2,773,435 dollars, une VAN et un TRI supérieurs et une période de retour d’investissement plus basse, en raison des économies d’échelle. En raison de son faible prix de l’électricité, aucun système solaire photovoltaïque n’était économiquement réalisable au Québec. En outre, le BESS de 250 kW n’est économiquement réalisable ni à l’ON ni au Québec, en raison d’un investissement élevé, d’une basse économie d'énergie annuelle et de retour d’investissement haut.

En Ontario, l'ÉTS devrait utiliser un système de panneaux photovoltaïques de 500 kW (10% de 5 MW requis) ou plus, sans aucune batterie, afin de réduire considérablement la valeur de la facture annuelle et le prix par kWh avec un faible retour sur investissement. Les TRI et VAN sont élevés pour l’investissement requis. En plus de cela, participez également au marché de gros détenu par IESO via des enchères visant à réduire le coût de l’électricité / kWh, payez le Global Adjustment par consommation ou en PDF (9% de réduction de facture annuelle) et participez à l’enchère de réponse à la demande de IESO.

Au Québec, l'ÉTS devrait utiliser un système BESS de 250 kW sans aucun système photovoltaïque pour réduire le pic de puissance de plus de 5 MW et participer au programme de réponse à la demande, GDP, de HQ, uniquement s'il existe une incitation financière ou un don pour acquérir l'équipement auprès d'un fournisseur ou du gouvernement, selon le cas (à l'ÉTS). Autrement, ni système photovoltaïque ni groupe de batteries ne sont recommandés.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in renewable and efficiency energy". Comprend des références bibliographiques (pages 213-220).
Mots-clés libres:	système solaire photovoltaïque, batteries, simulation, faisabilité technico-économique, écrêtage.
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Dessaint, Louis-A.
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	04 avr. 2019 19:35
Dernière modification:	04 avr. 2019 19:35
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2259

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