Eco-economic optimal sizing and operation of PV-battery systems in buildings - The Role of CO<inf>2</inf> price signals

CO2 pricing enables building owners to benefit from reduced emissions. Changing power plant mix leads to dynamic CO2 factors and price signals that PV-battery systems can exploit. The system's size and CO2 prices influence profitability. So far, no study exists assessing CO2 pricing's influence on PV-battery systems' optimal sizing and operation. We, therefore, investigate the interaction of PV-battery sizing and operation with CO2 pricing and combine Design of Experiments with model predictive control. For a CO2 price of 100 €/t, the cost-optimal design decreases emissions by 79.7 %. Furthermore, high CO2 prices yield large PV and medium battery sizing. The results prove that CO2 pricing is a valuable instrument to encourage CO2-reducing investments of building owners. We recommend future studies to include the effect of CO2 pricing on the power plant mix and thus the CO2 factor. We assume a change in the merit order due to a shift in marginal costs of the respective power plants.

Öko-ökonomische Auslegungs- und Betriebsoptimierung von PV-Batteriesystemen in Gebäuden - Der Einfluss von CO2-Preissignalen
Die Bepreisung von CO2 ermöglicht es Gebäudebesitzer:innen von reduzierten Emissionen zu profitieren. In diesem Zusammenhang führt eine stetig wechselnde Kraftwerkseinsatzplanung zu dynamischen CO2-Faktoren im Stromnetz, welche durch PV-Batteriesysteme ausgenutzt werden können. Die Auslegungsgröße der PV-Batteriesysteme sowie die Höhe des CO2-Preises beeinflussen hierbei deren Wirtschaftlichkeit. In der wissenschaftlichen Literatur wurde bislang noch nicht der Einfluss von CO2-Bepreisung auf die optimale Auslegung und den Betrieb von PV-Batteriesystemen untersucht. Wir gehen in der vorliegenden Studie daher der Frage nach, wie die optimale Auslegung und der Betrieb von PV-Batteriesystemen vom CO2-Preis beeinflusst wird und wenden dafür Methoden der statistischen Versuchsplanung sowie der modellprädiktiven Regelung an. Bei einem CO2-Preis von 100 €/t führt die kostenoptimale Auslegung des Systems zu Emissionsreduktionen in Höhe von 79,7 %. Außerdem zeigt sich, dass hohe CO2-Preise große PV-Anlagen und mittlere Batteriespeicherkapazitäten begünstigen. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass CO2-Bepreisung ein sinnvolles Instrument ist, um einen Anreiz für CO2-freundliche Investitionen von Gebäudebesitzer:innen zu schaffen. Für zukünftige Studien wird empfohlen, den Einfluss einer CO2-Bepreisung auf den Kraftwerkseinsatzplan und damit den CO2-Faktor zu untersuchen. Dies wir damit begründet, dass eine Verschiebung der Merit Order der Kraftwerke aufgrund sich ändernder Grenzkosten zu erwarten ist.