Demand Side Management mit Wärmepumpen - Regelungsoptionen und Lastverschiebungspotentiale bei der Betrachtung von heterogenen Gebäudegruppen



Charlotte Ellerbrok
Fraunhofer-Institut für Bauphysik
Standort Kassel, Abteilung Energiesysteme, Gruppe Niedrigexergiesysteme
Telefon 0561 / 804 7449 – charlotte.ellerbrok@ibp.fraunhofer.de



Betreuung:
Prof. Dr.-Ing. Jens Knissel
Universität Kassel; Fachgebiet technische Gebäudeausrüstung; Fakultät für Architektur, Stadtplanung, Landschaftsplanung

Kurzbeschreibung des Dissertationsthemas

Hintergrund und Motivation
Mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien erhöht sich auch der Regelbedarf im Stromnetz. Gerade die Einspeisung durch Photovoltaik- und Windenergieanlagen unterliegt durch ihre Wetterabhängigkeit großen Schwankungen. Durch die vermehrte Einbindung von Verbrauchern in ein Lastmanagement kann das unregelmäßige Aufkommen von Strom aus erneuerbaren Energien ausgeglichen und damit dessen Einspeisung unterstützt werden. Dadurch lässt sich die Größe der nötigen Speicher für Strom verkleinern, die Überkapazitäten verringern und der erforderliche Netzausbau reduzieren.

Da ein bedeutender Teil, ca. 40 %, der Endenergie in Deutschland für die Erzeugung von Nutzwärme verwendet wird, liegt ein großes Potenzial zum Lastmanagement in der Verknüpfung des Strom- und Wärmesektors. Wärmepumpen als Bindeglied bieten sowohl im Gebäudebestand als auch im Neubau eine Option zur regenerativen Versorgung mit Nutzwärme und lassen sich als schalt- und steuerbare dezentrale Verbraucher in ein intelligentes Stromnetz einbinden. Zudem erhöhen sie den bisher noch geringen Anteil von rund 9 % erneuerbarer Energien im Wärmebereich.

Umsetzung
Im Rahmen der Arbeit betrachtet werden Möglichkeiten der Flexibilisierung der Lastaufnahme von Heizungswärmepumpen in Wohngebäuden. Durch die Speicherung von Wärme in der Gebäudemasse kann der Wärmezufuhr um eine, je nach Gebäude verschiedene, Zeit versetzt zum Wärmebedarf erfolgen.

Die Betrachtung soll sich auf Wohngebäude im deutschen Gebäudebestand beschränken. Zusätzlich werden auch kleine Einzelhandelsflächen und wohnähnliche Nutzungen zur Abbildung von Mischquartieren betrachtet. Die Auswahl der betrachteten Gebäudetypen erfolgt auf der Grundlage einer energetisch-ökonomischen Betrachtung im Rahmen meiner Masterarbeit. Anhand der Auswahl werden bestehende Gebäudemodelle in der thermisch-dynamischen Simulationsumgebung TRNSYS weiterentwickelt. Auf Grundlage einer Parameterstudie werden die Modelle vereinfacht. Diese werden zur Simulation in einem Modell verwendet, das das dynamische Verhalten definierter typischer Gebäudeensembles abbildet. Im Hinblick auf die Optimierungskriterien Lastausgleichspotenzial, Effizienz der Nutzwärmeerzeugung und unter Berücksichtigung des thermischen Raumkomforts werden Regelungsstrategien entwickelt, im Simulationsmodell getestet, bewertet und optimiert. Daraus wird das Potenzial zur Lastverschiebung mit den optimierten Regelungsstrategien für verschiedene Gebäudekonstellationen und Ausbauszenarien abgeschätzt.

Erwartetes Ergebnis
Ziel des Promotionsvorhabens ist die Entwicklung von vorausschauenden Regelungsstrategien für heterogene Gebäudegruppen aus Bestandsgebäuden, die durch erzeugungsabhängig gesteuerte Wärmepumpen mit Nutzwärme versorgt werden. Berücksichtig werden sowohl bauliche Eigenschaften der einzelnen Gebäudetypen, die sich durch eine unterschiedliche Wärmespeicherkapazitäten und unterschiedlich große Wärmeverluste über die Hüllflächen äußern, als auch charakteristisches Nutzerverhalten und unterschiedliche Anlagentechnik. Als Randbedingung muss ein festgelegter Raumkomfort in den Innenräumen gewahrt werden. Zudem werden Wetter- und Stromprognose in die Regelungsstrategien einbezogen. Die unterschiedliche Trägheit und Speichergröße der Gebäudetypen sollen gezielt eingesetzt werden um das gemeinsame Lastverschiebepotenzial zu steigern.


Kurzer Lebenslauf

Zeitraum
Tätigkeit
Seit 01.2013Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer-Institut für Bauphysik, Kassel. Durchführung der Promotion mit Unterstützung der deutschen Bundesstiftung Umwelt
09.2010 – 12.2012Studentische Hilfskraft am Fraunhofer-Institut für Bauphysik, Kassel
10.2009 – 12.2012Masterstudium Regenerative Energien und Energieeffizienz, Universität Kassel
04.2009 – 10.2009freiberufliche Tätigkeit für das Architekturbüro Grzechowiak, Aachen
06.2008 – 01.2009Angestellt als Architektin bei Kisho Kurokawa Architects and Associates, Tokyo, Japan
10.2001 – 02.2008Architekturstudium an der RWTH Aachen
           

Forschungs- und Interessensschwerpunkte


Veröffentlichung

Keine Angaben