Netzdienlicher Betrieb von Gebäuden: Analyse und Vergleich netzbasierter Referenzgrößen 


Motivation
Eine große Herausforderung der Energiewende ist der Wandel von einer derzeitig zentralen hin zu einer zumindest anteilig dezentralen elektrischen Energieversorgung mit erneuerbaren Energien. Die zunehmende schwankende Einspeisung aus erneuerbaren Energien in das Stromnetz führt zu einer wachsenden Stromnetzbelastung, die ein effizientes Management von Stromangebot und –nachfrage erfordert. In Zukunft wird neben der absoluten Menge auch der Zeitpunkt des Strombezuges eine zunehmend wichtigere Rolle spielen. Vor diesem Hintergrund bewerten wir, wie sich Gebäude als steuerbare Energieverbraucher und thermische Speicher in einem zukünftigen intelligenten Stromnetz verhalten und wie sie zur Netzstabilität beitragen können. Wir entwickeln Gebäudekonzepte, die eine möglichst geringe Belastung der Stromnetze hervorrufen, zur Netzstabilität beitragen und eine vorrangige Nutzung von Strom aus fluktuierenden erneuerbaren Energieträgern ermöglichen.

Ziele
Im ersten Schritt wird der Frage nachgegangen, welche Anforderungen das Stromnetz der Zukunft an intelligente Verbraucher stellt und wie sich Strombezugsprofile im Hinblick auf ihre „Netzdienlichkeit“ bewerten lassen. Im nächsten Schritt wird auf Basis zeitlich hochaufgelöster Messdaten analysiert, wie heutige Gebäude mit dem Stromnetz interagieren und welche Stärken, Schwächen und Unterschiede sich bei einzelnen Gebäudetypen und Versorgungstechnologien beobachten lassen. Schließlich wird untersucht, wie thermische (Wasser-)Speicher und eine thermische Aktivierung der Gebäudemasse zur zeitlichen Verschiebung von Lasten nach den Anforderungen des Stromnetzes genutzt werden können.

Ergebnisse
Für eine Bewertung der Interaktion von Gebäuden mit dem Stromnetz werden zunächst geeignete stromnetzbezogene Referenzgrößen mit wirtschaftlichem, technischem, ökologischem und energiepolitischem Fokus definiert, welche auf frei verfügbaren Kosten-, Einspeise- und Lastreihen des deutschen Stromnetzes beruhen. Die netzbasierten Größen werden anschließend im Hinblick auf ihre zeitliche Struktur, Schwankungsbreiten sowie tages- und jahreszeitlichen Besonderheiten untersucht. Dabei wird deutlich, dass die Größen unterschiedliche Anforderungen an das Verbrauchsverhalten von Gebäuden stellen. Beispielsweise kann der Betrieb von elektrischen Wärmepumpen im Heizfall gut auf die Verläufe des EEX-Preises und der Residuallast angepasst werden. Im Kühlfall lässt sich durch einen optimierten Betrieb von Kältemaschinen zu Zeiten mit hohen Anteilen regenerativen Stroms im Versorgungsnetz insbesondere der Primärenergiebezug reduzieren. Eine gleichzeitige Optimierung nach dem EEX-Preis und dem Anteil erneuerbarer Energien im Strommix ist jedoch nur eingeschränkt möglich.

Weiterhin wurde eine dimensionslose Kennzahl definiert, welche das Verbrauchsverhalten eines Gebäudes im Hinblick auf eine bestimmte netzbasierte Referenzgröße quantitativ bewertet – wahlweise für einen einzelnen Tag, einen Monat oder ein ganzes Betriebsjahr. Darauf aufbauend wird derzeit ein Quervergleich mehrerer Nichtwohngebäude mit unterschiedlichen Versorgungstechnologien durchgeführt.

Darüber hinaus bewerten wir, wie die Lastverschiebung durch technische (Wasser-)Speicher im Gebäude und die thermische Masse der Gebäudestruktur realisiert werden kann. In aktuellen Arbeiten konnten wir nachweisen, dass heutige Bestandssysteme in Nichtwohngebäuden deutlich zu klein dimensioniert sind, um in der Heizperiode eine ausreichende Verschiebung der Betriebszeit zu ermöglichen. Weiterführende Arbeiten beschäftigen sich mit der optimalen Dimensionierung von technischen Speichern und deren Integration in Gebäude sowie der effizienten Aktivierung der thermischen Gebäude zur Lastverschiebung. Hierzu werden geeignete Reglervarianten entwickelt und in dynamischen Simulationsstudien getestet.

Fotos / Grafiken

   
 Abb. 1
 Abb. 2
 Abb. 3


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