Demand Side Management mit Wärmepumpen
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 Demand Side Management kann das unregelmäßige Aufkommen von Strom aus erneuerbaren Energien ausgeglichen und damit dessen Einspeisung unterstützt werden. Anstelle der heute üblichen verbrauchsorientierten Erzeugung werden die Verbraucher vermehrt erzeugungsabhängig gesteuert. 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. Durch die thermische Trägheit der Gebäudemasse kann die Lastaufnahme der versorgten Gebäude flexibilisiert werden. Bisherige Studien zur Ermittlung des Lastverschiebepotenzials gehen zumeist von einem separaten Warmwasserspeicher für Heizung und Trinkwasser aus, die Möglichkeiten des Einbezugs der Gebäudemasse wird meist nicht betrachtet. Dabei erschließen sich gerade dort große Kapazitäten, die sich je nach Gebäude und Nutzer eine sehr unterschiedliche Charakteristik aufweisen. Auch wird meistens von einer separaten Steuerung der einzelnen Wärmepumpen durch ein einfaches Strompreissignal ausgegangen.
Ziel des Promotionsvorhabens ist die Entwicklung von vorausschauenden Regelungsstrategien für heterogene Gebäudegruppen, die durch erzeugungsabhängig gesteuerte Wärmepumpen mit Nutzwärme versorgt werden. Berücksichtig werden sowohl anlagentechnische als auch bauliche Eigenschaften der einzelnen Gebäudetypen, die sich durch eine unterschiedliche Wärmespeicherkapazitäten und unterschiedlich große Wärmeverluste über die Hüllflächen äußern. Daraus ergibt sich eine charakteristische gebäudespezifische Zeitkonstante. 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.
Die Betrachtung soll sich auf Wohngebäude im deutschen Gebäudebestand beschränken. Zusätzlich werden auch kleine Einzelhandelsflächen und wohnähnliche Nutzungen zur Abbildung von Mischquartieren betrachtet. Es werden sowohl die Außenluft als auch alternativ das Erdreich als Wärmequellen 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.
Die Forschungsarbeit erschließt optimierte Möglichkeiten der Integration von Wärmepumpen als regelbare dezentrale Energieeinheiten unter Einbezug auch der Gebäudemasse und trägt durch die Nutzung regenerativen Überschussstroms zur Senkung der CO2-Emissionen bei.