Gekoppelte thermische und elektrische Simulation


Der Anteil an erneuerbaren Energiequellen im Verteilnetzbereich ist in den letzten Jahren angestiegen. Windenergie im Mittelspannungsnetz und Photovoltaik in Niederspannungsnetze führen, aufgrund ihrer fluktuierenden Einspeisung in Abhängigkeit der Wetterverhältnisse, zu einer schwierigeren Vorhersagbarkeit des Zustandes im elektrischen Netz. Auch der Gebäudesektor im Bereich der Wärmebedarfsdeckung erfährt eine Wende hin zu erhöhter Effizienz. Konzepte von Sanierung der Gebäudehülle sowie neuen Technologien, wie Wärmepumpen und Blockheizkraftwerken stehen hier im Fokus. Diese Technologien sind mit dem elektrischen Netz direkt verbunden und können als steuerbare Lasten bzw. Einspeisung fungieren, um das elektrische Netz auszugleichen. In diesem Kontext kommt dem Thema der Speichertechnologien im Gebäudesektor als mögliches Ausgleichselement eine zunehmende Bedeutung zu.

Um das Potenzial des Gebäudes und seiner Technologien zum Netzausgleich zu untersuchen und eine ganzheitliche Bewertung durchführen zu können, wird ein multiphysikalischer Ansatz mit gekoppelter thermischer und elektrischer Simulation gewählt.

Für einen realistischen Zusammenhang der Systembetrachtung ist die Berücksichtigung von Unsicherheiten im gekoppelten System nötig. Unsicherheiten in den thermischen Parametern, wie der Gebäudephysik (z.B. Altersklasse, Zustand der Renovierung) und dem Verbraucherverhalten sind in probabilistischen Variationen hinterlegt. Die Schaltzeiten der Wärmepumpen und Blockheizkraftwerke werden dann in einer thermischen Gebäudesimulation mit Anlagentechnik berechnet. Daraus ergeben sich die elektrischen Leistungsprofile dieser steuerbaren Lasten. Das elektrische Verbraucherprofil wird aus statistischen Kennwerten, wie Verteilung des Verbrauchs auf einzelne Geräte sowie deren zeitliches Leistungsverhalten, generiert. Einspeiseprofile der Photovoltaik werden mit einem wetterabhängigen Modell, welches Temperatur und Sonneneinstrahlung enthält, erstellt.

Die einzelnen elektrischen Leistungsprofile werden als zeitliche Datenreihen für die elektrische Lastflusssimulation an jedem Hausanschluss aggregiert. Somit können für ein implementiertes Netz mit seinen elektrischen Netzparametern, wie Leitungsimpedanzen, die Werte von Spannungsbeträgen, Leitungsauslastungen und elektrischen Verlusten zu jedem Zeitschritt berechnet werden. Die so gewonnenen Werte sind z.B. von Nutzen, um den aktuellen Zustand des Netzes und das Potenzial der thermischen Speicher im Gebäudebereich zu vergleichen und die Flexibilität zu bestimmen.

Der gekoppelte Modellansatz ist flexibel anwendbar auf verschiedene elektrische Netzstrukturen, wie z.B. vorstädtische oder ländliche Netze, und unterschiedliche Technologien im Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung und erneuerbarer Erzeugung und stellt einen Schritt zur Generierung einer Netzkompatibilitätszahl im Projekt Netzreaktive Gebäude dar. Derweil wird die Methodik auf verschiedene Niederspannungs-Netztypen und unterschiedliche Technologiedurchdringung angewendet und zukünftig auf größere Netzgebiete, wie Stadtquartiere, erweitert.

Fotos / Grafiken

   
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