Quantifying and aggregating the flexibility of building energy systems

Aachen / E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2018) [Buch, Doktorarbeit]

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Kurzfassung

In den vergangenen Jahren ist der Anteil erneuerbarer Energien an der Elektrizitätsversorgung angestiegen. Dieser Trend wird sich in den kommenden Jahren fortsetzen. Durch den steigenden Einsatz von erneuerbaren Energiesystemen, die wetterabhängig elektrische Energie generieren (Photovoltaik und Windenergie), steigt die Fluktuation im elektrischen Energiesystem an. Es müssen sowohl im nationalen Energiesystem als auch in den lokalen elektrischen Netzen Maßnahmen ergriffen werden, mit diesen Fluktuationen umzugehen. Hierzu bieten sich verschiedene Flexibilitätsoptionen an. Der Gebäudesektor hat einen sehr hohen Anteil am Endenergiebedarf. Daher wird diskutiert, ob der Gebäudesektor einen Beitrag zur Flexibilitätsbereitstellung leisten kann. In diesem Zusammenhang bieten vor allem Wärmepumpen sowie Kraft-Wärme-Kopplungs(KWK)-Anlagen in Kombination mit thermischen Speichern eine mögliche Option. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode zur generischen Quantifizierung der Flexibilität von Gebäudenergiesystemen vorgestellt. Dies beinhaltet sowohl Wärmepumpen als auch KWK-Anlagen. Als Indikatoren zur Beschreibung von Flexibilität wurden vor allem Berechnungsvorschriften für leistungs- und energiebezogene Kennzahlen sowie die zugehörigen Verluste der Flexibilitätsbereitstellung entwickelt. Die meisten der vorgestellten Kennzahlen sind zeitabhängig und variieren im Verlaufe eines Jahres in Abhängigkeit der Außenbedingungen. Um die Flexibilität der Gebäudeenergiesysteme zu ermitteln, werden geeignete Simulationsmodelle dieser Gebäudeenergiesysteme verwendet. Einzelne Gebäude haben nur eine begrenzte Flexibilität zur Erzeugung bzw. zum Bezug von elektrischer Energie. Daher ist die beschriebene Methodikdarauf ausgelegt, die Flexibilitätsindikatoren der einzelnen Flexibilitätsoptionen zu aggregieren. Dies ermöglicht unter anderem die Kombination und den Vergleich mit anderen Flexibilitätsoptionen wie Batteriesystemen oder konventionellen Kraftwerken. Um die verschiedenen Einflussfaktoren auf die Flexibilitätsindikatoren zu bestimmen, wird eine umfangreiche Simulationsstudie für Einzelgebäude durchgeführt. Hierbei werden sowohl Systeme mit Wärmepumpen als auch mit KWK-Anlagen analysiert. Als wichtige Parameter ergeben sich dabei zum einen die Größe der Wärmeerzeuger sowie des thermischen Speichers. Zum anderen spielen aber auch Parameter wie der Warmwasseranteil am Wärmebedarf, die thermischen Verluste des Wärmespeichers oder die minimale Versorgungstemperatur des Systems eine Rolle. Alle Flexibilitätsindikatoren können für unterschiedliche Gebäude-und Anlagengrößen miteinander verglichen werden, da sie in dieser Arbeit auch als dimensionlose Indikatoren ausgewiesen werden. Neben der rein technischen Beschreibung der einzelnen Flexibilitätsindikatoren wird in dieser Arbeit auch eine Methodik vorgestellt, die es ermöglicht, verschiedene Flexibilitätsoptionen wirtschaftlich miteinander zu vergleichen. Hierbei wird ein ermittelter Flexibilitätsbedarf durch einen Mix verschiedener Flexibilitätsoptionen (mit den geringsten annuitätischen Kosten) gedeckt. Bei dieser Betrachtung muss beachtet werden, dass die genutzten Speicherkapazitäten auch die notwendige Zeit zur Ent- bzw. Beladung einhalten können. Die wirtschaftliche Bewertung wird auf zwei Hauptszenarien angewendet. Zum einen wird ein nationales Energiesystem mit variierenden erneuerbaren Anteilen sowie unterschiedlichen Anteilen von flexiblen Gebäudeenergiesystemen analysiert. Im Rahmen dessen werden auch unterschiedliche Kostenszenarien betrachtet. Zum anderen wird ein lokales elektrisches Netz mit dafür typischen Flexibilitätsanforderungen betrachtet. Auch hier werden die Investitionen für die verschiedenen Technologien variiert. Insgesamt zeigt sich, dass in allen Szenarien die betrachteten Gebäudenergiesysteme eine Rolle bei der Flexibilitätsbereitstellung spielen können. Jedoch werden immer zusätzliche Optionen wie Batteriespeicher, konventionelle Kraftwerke oder Einspeisebeschränkungen benötigt.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Stinner, Sebastian

Gutachterinnen und Gutachter

Müller, Dirk
Heiselberg, Per

Identifikationsnummern

  • ISBN: 978-3-942789-55-4
  • REPORT NUMBER: RWTH-2018-224242