Nutzung der Wärmepumpen im Lastmanagement kommunaler Stromnetze


Motivation
Die Leistung von Photovoltaik- und Windkraftanalgen kann nur sehr schwer bis gar nicht angepasst werden. Diese fluktuierende Erzeugungscharakteristik führt zu unvermeidlichen Schwankungen in den bestehenden Stromnetzen. Das Problem lässt sich lösen, indem die Stromnachfrage stärker mit der Stromerzeugung gekoppelt wird. Um dies zu ermöglichen, soll eine erhöhte Flexibilität des elektrischen Bedarfs durch steuerbare Verbraucher und Speicher mittels Lastmanagement erreicht werden. Für diese Untersuchung werden das lokale Stromerzeugungs- und Lastprofil sowie die Wetterdaten von der Stadt Wolfhagen als Beispielkommune zugrunde gelegt. Für die Erstellung des Stromerzeugungsprofils wurden die bestehenden PV-Anlagen sowie ein geplanter Bürgerwindpark mit einer Leistung 10 MW berücksichtigt. Somit übersteigt das Stromangebot erneuerbarer Energien den Jahresstrombedarf in der Jahresbilanz.

Ziele
In dieser Arbeit liegt der Fokus auf der Untersuchung des thermischen Lastverschiebungspotenzials eines Einfamilienhauses mittels einer stromgeführten Wärmepumpenregelung in Kombination mit einer Fußbodenheizung. Das Ziel dieser Untersuchung liegt auf der Bewertung der Wärmepumpenregelstrategien unter Berücksichtigung der folgenden zwei Gesichtspunkte:

Ergebnisse
Zur Bewertung der Nutzung von erneuerbarem Überschussstrom beim Wärmepumpenbetrieb wird die primärenergetische Jahresarbeitszahl (pJAZ) zugrunde gelegt, wobei die verwendete elektrische Hilfsenergie aus erneuerbaren Energiequellen von der gesamten Hilfsenergie abgezogen wird. Diese Kennzahl ermöglicht vergleichbare Aussagen zur energetischen Effizienz der Wärmepumpe unter vorgegebenen Randbedingungen mit einer durch Erneuerbare Energien stark geprägten Stromversorgungstruktur. Neben der energetischen Effizienz der Wärmepumpe wird die Auswirkung der Lastverschiebung auf das thermische Verhalten des Gebäudes durch die Raumtemperaturverläufe im Gebäude ausgewertet.

Der Einsatz der Model Based Predictive Control (MBPC)-Theorie erhöht die Nutzung von erneuerbarem Überschussstrom bzw. die primärenergetische Jahresarbeitszahl  beim Wärmepumpenbetrieb im Vergleich zu dem Referenzmodell signifikant. Die primärenergetischen Jahresarbeitszahlen beim Einsatz der MBPC-Theorie liegen zwischen 13 und 16 (Abbildung 1). Außerdem zeigen die Ergebnisse der Simulationsrechnungen deutlich, dass die längeren Prognoseintervalle einen flexiblen Betrieb der Wärmepumpe ermöglichen, der den Anteil von erneuerbarem Überschussstrom an dem elektrischen Hilfsenergieverbrauch erhöht. Andererseits sinkt der Effekt der thermischen Lastverschiebung mit kleiner werdendem Prognoseintervall. Dies begrenzt einerseits die Nutzung von erneuerbarem Überschussstrom an dem elektrischen Hilfsenergieverbrauch der Wärmepumpe, andererseits reduziert sich die Raumtemperaturschwankung beim Be- und Entladen der Gebäudespeichermasse. Analog zu den Varianten mit den kürzeren Prognoseintervallen ist zu erkennen, dass der Einsatz von variablen Prognoseintervallen den Anteil von erneuerbarem Überschussstrom deutlich erhöht, ohne dass die Raumtemperatur dadurch signifikant destabilisiert wird. Analog zu den Varianten mit den kürzeren Prognoseintervallen (Variante 3, 4) ist zu erkennen, dass der Einsatz von variablen Prognoseintervallen (Variante 5) den Anteil von erneuerbarem Überschussstrom deutlich erhöht, ohne dass die Raumtemperatur dadurch signifikant destabilisiert wird.

Fotos / Grafiken

 
 Abb. 1


Tab. 1: Regelungsvariante.
Variante Regelung Regelparameter
Referenzmodell Standard Regelung Außenlufttemperatur
Variante 1 Model Based Predictive Control Wärmebedarfs- und Strompreisprognose
mit 24 Stunden-Intervallen
Variante 2 Model Based Predictive Control Wärmebedarfs- und Strompreisprognose
mit 12 Stunden-Intervallen
 Variante 3Model Based Predictive ControlWärmebedarfs- und Strompreisprognose
mit 8 Stunden-Intervallen
 Variante 4Model Based Predictive ControlWärmebedarfs- und Strompreisprognose
mit 6 Stunden-Intervallen
 Variante 5Model Based Predictive ControlWärmebedarfs- und Strompreisprognose
mit variablen Intervallen


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