Optimierte Nutzung der Gebäude als dezentraler Wärmespeicher im Lastmanagement – Entwicklung eines netzintegrierten Heizsystems mit einer Flächenheizung auf Basis modellbasierter prädiktiver Regelalgorithmen der Wärmepumpen



Young Jae Yu
Fraunhofer-Institut für Bauphysik
Standort Kassel, Abteilung Energiesysteme, Gruppe Niedrigexergiesysteme
Telefon 0561 / 804 7448 – youngjae.yu@ibp.fraunhofer.de


Betreuung
Prof. Dr.-Ing. Anton Maas
Universität Kassel; Architektur Stadtplanung Landschaftsplanung; Fachgebiet Bauphysik
Prof. Dr.-Ing. Jens Knissel
Universität Kassel; Architektur Stadtplanung Landschaftsplanung; Fachgebiet Technische Gebäudeausrüstung


Kurzbeschreibung des Dissertationsthemas

Hintergrund und Motivation
Die zunehmende, fluktuierende Einspeisung aus erneuerbaren Energien erfordert eine effiziente Form des Ausgleichs von Stromangebot und –nachfrage. Dabei stehen effiziente Speichertechnologien und Lastmanagement im Vordergrund um Erzeugung und Bedarf in Einklang zu bringen. Dazu ist es sinnvoll, dezentrale Erzeugungsanlagen und Speicher zusammenzuschalten und mittels Lastmanagements dezentral zu steuern. Besonders im Gebäudebereich kann ein kurzfristiges Stromüberangebot aus erneuerbaren Energien mittels Lastmanagements, zeitlich entkoppelt vom tatsächlichen Wärmebedarf, in Form von Wärme in Gebäudemassen gespeichert werden. Vor diesem Hintergrund soll gezeigt werden, inwieweit sich Gebäude, vor allem Einfamilienhäuser, als dezentral steuerbare thermische Speicher für das Lastmanagement eignen.

Umsetzung
In dieser Forschungsarbeit liegt ein wesentlicher Schwerpunkt in der Untersuchung des netzintegrierten Wärmepumpenbetriebs zur energieeffizienten Wärmebedarfsdeckung mittels optimierter Nutzung von Überschussstrom aus erneuerbaren Energien. Dabei kommen thermisch aktivierte Bauteile (Boden, Wände, Decke) der Gebäudehülle als Speicher zum Einsatz. Die Speichereffizienz und Lastverschiebungspotenziale von unterschiedlichen Flächenheizsystemen sind mit einer dynamischen Simulation mit TRNSYS zu bewerten. Zusätzlich werden Regelalgorithmen für Wärmepumpen entwickelt, die das thermische Verhalten von Speichermasse in Gebäuden sowie dynamische Stromtarifstruktur unter Verwendung von Wetterprognosen sowie erwarteten Day-ahead-Preissignalen vorausschauend berücksichtigen. Zur Bewertung von Regelalgorithmen werden sowohl die Energieeffizienz der Wärmepumpenanlage als auch der thermischer Raumkomfort zugrunde gelegt und dies erlaubt einen Vergleich mit konventionellen Regelstrategien.

Besonders für die Bewertung des thermischen Raumkomforts ein Gebäudemodell mit  hoher Komplexität erforderlich.

Erwartetes Ergebnis
Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung von Regelstrategien für den netzintegrierten Wärmepumpenbetrieb, die eine optimale Nutzung der thermischen Gebäudemasse zur Lastverschiebung ermöglichen. Dabei soll der Anteil von Überschussstrom am gesamten Energieverbrauch für Wärmebereitstellung ohne  Komfortverluste maximiert und gleichzeitig eine Interaktion zwischen dem Wärme- und dem Stromsektor, mit dem Ziel einer Entlastung von lokalen Stromnetzen, hergestellt werden.

Der Einsatz von Gebäuden als dezentrale Speicher mittels Lastmanagements ist nicht nur auf Grund des quantitativ großen Speicherpotenzials sinnvoll, sondern vor allem auch, weil der technische und wirtschaftliche Aufwand zur thermischen Energiespeicherung durch Wärmepumpen gegenüber der Zwischenspeicherung von Strom in Akkumulatoren oder auch dem Betrieb von fossilen Regelkraftwerken zur Stabilisierung der Stromnetze relativ gering ist.

Kurzer Lebenslauf

Zeitraum
Tätigkeit
Seit 10.2012Wissenschaftlicher Mitarbeiter (Doktorand), Fraunhofer-Institut für Bauphysik, Standort Kassel, Abteilung Energiesysteme, Gruppe Niedrigexergiesysteme
Seit 08.2012Doktorand Universität Kassel; Architektur, Stadtplanung, Landschaftsplanung; Fachgebiet Bauphysik
04.2010 – 03.2012Masterstudiengang - Regenerative Energien und Energieeffizienz
Universität Kassel, Maschinenbau
10.2007 – 09.2009 Masterstudiengang - ClimaDesign, Technische Universität München, Lehrstuhl für Bauklimatik und Haustechnik


Forschungs- und Interessensschwerpunkte


Veröffentlichung

Keine Angaben