Navigationsabkürzungen:

Hauptinhalt:

vor
zurück

Netzreaktive Gebäude entlasten dynamische regenerative Stromnetze

Netzreaktive Gebäude: Wärme- und Kälte-Verteilsystem in einem größeren Labor- und Bürogebäude: Mit einer gezielten Verschiebung der Betriebszeiten kann das Wärmespeichervermögen von Gebäuden und dem Erdreich genutzt werden, um die Stromnetze zu

Wärme- und Kälte-Verteilsystem in einem größeren Labor- und Bürogebäude: Mit einer gezielten Verschiebung der Betriebszeiten kann das Wärmespeichervermögen von Gebäuden und dem Erdreich genutzt werden, um die Stromnetze zu entlasten.

© Fraunhofer ISE, Freiburg

Projektsteckbrief

SoftwaretypF&E-Tool
KürzelNetzreaktive Gebäude
Schwerpunkte

Projektbeschreibung

Gebäude könnten vom rein bedarfsgesteuerten Stromverbraucher zum interaktionsfähigen Partner mit Energiespeicherpotenzial für Strom- und Wärmenetze fortentwickelt werden. Dabei spielen regenerativ und reversibel betriebene Wärmepumpen eine besondere Rolle. Verschiedene Forschungsprojekte dokumentieren, wie effizient in Gebäuden mit thermischer Bauteilaktivierung die Erdreichwärme über Erdsonden zur Gebäudetemperierung zur Beheizung und zur Kühlung genutzt wird. Überhaupt gibt es im Nichtwohnungsbau seit einigen Jahren einen Trend zur Wärme- und Kältebereitstellung über reversible, erdreichgekoppelte Wärmepumpen in Verbindung mit thermischer Bauteilaktivierung. Ein gutes duzend solcher Anlagen wurden in einem vorgelagerten Forschungsprojekt einer genaueren energetischen und wirtschaftlichen Analyse unterzogen. Neben der Jahresarbeitszahl als Maßstab für die Energieeffizienz interessierte bei der Analyse auch das Zeitprofil der Stromnachfrage, um die Eignung des Anlagenbetriebs für regenerativ gespeiste Stromnetze beurteilen zu können. Unterschiede im Anlagendesign und in der Betriebsführung sind entscheidend für die Eignung der Gebäude, um mit regenerativ gespeisten Stromnetzen zu kooperieren.

Netzreaktivität und Netzdienlichkeit

Netzreaktivität bezeichnet den Ansatz, ein stromnetzbasiertes Signal in die Regelung der Anlagen zur Wärme- und Kälteerzeugung einzubeziehen, wohingegen Netzdienlichkeit eine Strombezugscharakteristik bezeichnet, die im Hinblick auf eine bestimmte netzbasierte Vergleichsgröße als erstrebenswert eingestuft wird. Eine rein bilanzielle, auf Jahres- und Monatswerten beruhende Betrachtung der Energieflüsse eines Gebäudes liefert keine ausreichende Bewertung der Netzdienlichkeit – vielmehr ist eine Analyse der Interaktion zwischen Gebäude und Stromnetz mit hoher zeitlicher Auflösung notwendig.

Netzdienlichkeit heutiger Nichtwohngebäude

Unter dem Aspekt verhalten sich heutige Anlagen oft noch wenig „netzdienlich“. Dies gilt vor allem fürs Heizen. Beim Kühlen ist die Situation oft günstiger, weil reaktionsschnelle Kühldecken und Randstreifenelemente beim lastgeführten Betrieb die größte Stromnachfrage in Zeiten hoher Solar- und Windstromanteile haben. Eine Analyse von vier ausgewählten Gebäuden aus der Förderkonzept EnOB zeigt, dass bei einem Teil der Gebäude kein ausgeprägtes Tagesprofil des Strombezugs zur Wärme- und Kälteerzeugung zu beobachten ist, während in anderen Gebäuden feste Betriebszeiten für eine ausgeprägte Charakteristik sorgen. Streuungen in den Tageswerten der Netzdienlichkeit treten vor allem in der Übergangszeit auf, in der ein Großteil des Optimierungspotenzials liegt.

Forschungsfokus

Grundlage des Forschungsverbundprojekts "Netzreaktive Gebäude" ist eine umfassende Querschnittsanalyse von Wohn- und Nichtwohngebäuden, die im Rahmen von Projekten der Forschungsinitiative EnOB ausgewertet und analysiert worden sind. Durch einen „Feldtest im Labor“ werden nun das Komponentenverhalten und damit die direkte Auswirkung von netzreaktiver Gebäudetechnik im Gebäude analysiert und bewertet.

Modellierung des Gebäudesektors

Die aus der Querschnittsanalyse und dem „Feldtest im Labor“ generierten Erkenntnisse fließen in die Modellierung des gesamten Gebäudesektors ein. Der Gebäudesektor in Deutschland wird hierbei mit Blick auf den Energiebezug dynamisch modelliert, um  die energiewirtschaftliche Integration von Gebäuden auf Quartiers- und Stadtebene bewerten zu können. Damit können unterschiedliche Technologie-Szenarien und Lösungsansätze geprüft werden, dies insbesondere vor dem Hintergrund einer Unsicherheit bezüglich der tatsächlichen Entwicklung des Energiesystems.

Netzdienlicher Betrieb mit innovativer Betriebsführung

In diesem Forschungsprojekt werden innovative Regelungs- und Betriebsführungskonzepte entwickelt und getestet, welche im Gebäude ein verbessertes Lastmanagement ermöglichen. Damit soll der Betrieb von elektrischen Wärmepumpen und Kältemaschinen netzdienlich gestaltet werden. Um die Interaktion von Gebäuden mit dem Stromnetz qualifiziert bewerten zu können, werden unterschiedliche stromnetzbezogene Größen im Hinblick auf ihre zeitliche Struktur, Schwankungsbreiten sowie tages- und jahreszeitlichen Besonderheiten untersucht.

Weiterhin soll bewertet werden, wie die zeitliche Lastverschiebung mithilfe thermischer Speicher im Gebäude und der thermischen Masse der Gebäudestruktur realisiert werden kann. Ergänzende Arbeiten beschäftigen sich mit der optimalen Dimensionierung von technischen Speichern und deren Integration in Gebäude sowie der effizienten Aktivierung der thermischen Gebäude zur Lastverschiebung.

Mit dem Ziel große Gebäudegruppen bis hin zu Städten und Kommunen künftig energetisch, exergetisch und energetisch bewerten zu können, sind zudem die bestehenden Bewertungsmethoden für Gebäude und deren Anlagentechnik (EnEV, DIN V 18599) zu erweitern. Die Bewertung der Qualität der Energieträger (Exergie) ermöglicht dabei eine verbesserte Anpassung der Energiequelle an den Bedarf. Auch die Bewertung der Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Gebäuden und deren Versorgungstechnik sowie die Interaktion zwischen Strom und Wärme und die intelligente Einbindung neuer Speichertechnologien sind dabei Gegenstand der Untersuchung. 

Was hat man bislang erreicht?

Simulation von Energiesystem und Gebäudesektor

Forscher am Fraunhofer ISE haben erstmals ein komplettes Energiesystem im Strom- und Wärmesektor auf stündlicher Basis simuliert. In mehreren Variantenstudien konnte gezeigt werden, dass ein netzdienlicher Gebäudebetrieb prinzipiell zu vertretbaren Kosten realisierbarer ist. Damit können auch zukünftige Technologiepfade für den Gebäudesektor anhand eines ganzheitlichen Strom-Wärme-Modells für Deutschland aufgezeigt werden. Bei der Simulation wird, zeitlich hoch aufgelöst, die Interaktion des Gebäudesektors mit einem von jahreszeitlich schwankenden erneuerbaren Energien dominierten Energiesystem abgebildet und verschiedene Szenarien miteinander verglichen. Es soll damit auch untersucht werden, wie ein Energiesystem im Jahr 2050 aussehen könnte, um mit den politisch gesetzten Zielen kompatibel sein zu können. Um diese Frage zu beantworten, wurde eine vollständige Modellierung des deutschen Energiesystems vorgenommen, wobei vor allem die Stromerzeugung und die Wärmeversorgung des Gebäudesektors detailliert abgebildet werden. Der besondere Fokus liegt bei diesem Ansatz einerseits auf einer zeitlich aufgelösten, stundengenauen Betrachtung der Wechselwirkung von Energiebereitstellung und –verbrauch über alle Sektoren hinweg und andererseits auf der Anwendung einer Optimierung, um kostenoptimale Systeme zu ermitteln.

Interaktion einzelner Gebäude mit dem Stromnetz

Für eine Bewertung der Interaktion von Gebäuden mit dem Stromnetz wurden 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, auf Schwankungsbreiten sowie auf tages- und jahreszeitlichen Besonderheiten hin 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.

Bewertungskennzahl R

Zur Bewertung der Netzdienlichkeit von Gebäuden mit Wärmepumpen-/Kältemaschinenversorgung wurde die Kennzahl R entwickelt, welche den Strombezug unter Berücksichtigung einer zeitlich veränderlichen netzbasierten Referenzgröße (z. B. EEX-Preis) mit dem Strombezug unter Annahme einer zeitlich gemittelten Referenzgröße vergleicht. So bedeutet ein Wert REEX=1,5, dass der analysierte Verbraucher – im gewichteten Mittel – zu Zeiten mit 50% höheren EEX-Preisen als dem mittleren EEX-Preis im Betrachtungszeitraum Strom bezieht.

Vergleichende Bewertung der Netzdienlichkeit realer Wärmepumpensysteme

In einem Quervergleich wurden erdreich- und grundwassergekoppelte Wärmepumpensysteme zur Wärme- und Kälteversorgung in Nichtwohngebäuden detailliert analysiert und bewertet. Die Auswertungen basieren auf mehrjährigen Monitoringkampagnen mit hoher Messdatenauflösung aus den Förderprogrammen „Energieoptimiertes Bauen (EnOB)“ und „LowEx:Monitor“ des BMWi. Auf Grundlage der messtechnischen Analyse soll erarbeitet werden, wie Wärmepumpensysteme in Kombination mit Warm- und Kaltwasserspeicher netzdienlich betrieben werden können.

Potenzial für netzdienlichen Gebäudebetrieb

Mit der Untersuchung konnte auch nachgewiesen werden, dass heutige Bestandssysteme in Nichtwohngebäuden deutlich zu klein dimensioniert sind, um in der Heizperiode eine ausreichende Verschiebung der Betriebszeit zu ermöglichen. Eine Potenzialuntersuchung kommt auf Basis der beispielhaft untersuchten Gebäude zu dem Ergebnis, dass die möglichen Kosteneinsparungen durch untertägige Lastverschiebung und EEX-Arbitrage bei maximal 4 Prozent der gesamten Stromkosten liegen – unter Annahme eines um Faktor 5 vergrößerten Wärmespeichers, idealer Last- und EEX-Preis-Prädikation und zulässiger Überhitzung der Gebäudemasse um 3°C. Somit sind angepasste Finanzierungs- und Betreibermodelle notwendig, um eine Erschließung von Nichtwohngebäuden für ein Demand-Side-Management mittels elektrischen Wärmepumpen wirtschaftlich attraktiv zu machen.

Erste Ergebnisse

Die Ergebnisse zeigen, dass elektrische Wärmepumpen in Kombination mit thermischen Speichern einen wichtigen Beitrag zur Kopplung des Strom- und Wärmesektors liefern können. Biomasse spielt wegen ihrer Speicherbarkeit eine zentrale Rolle und sollte nicht direkt für Niedertemperaturwärme in Gebäuden, sondern eher in KWK-Anlagen genutzt werden, um Fluktuationen erneuerbarer Energien auszugleichen. Der Dauerbetrieb von KWK-Anlagen mit Biogas ist nicht sinnvoll. Die Verbrauchsreduktion ist eine zentrale Komponente der Energiewende. Die Ergebnisse der Studie lassen vermuten, dass eine Absenkung des Heizwärmebedarfs auf bis zu 40 Prozent, ggf. eher auf nur 50 bis 60 Prozent des heutigen Wertes kostenoptimal ist. Letztlich ist der „Mix“ aus Erneuerbaren Energien und Effizienz jedoch eine politisch-gesellschaftliche Entscheidung, bei der neben technischen und ökonomischen auch andere Gesichtspunkte wie beispielsweise Natur- und Landschaftsschutz sowie gesellschaftliche Akzeptanz eine Rolle spielen.

Projektpartner

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) ist Projektkoordinator und bearbeitet die energetische und energiewirtschaftliche Querschnittsanalyse von ausgewählten Gebäudekonzepten sowie die sich anschließende Implementierung der Ergebnisse in einer Gebäudedatenbank. Weiterhin werden in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) künftige Technologiepfade für die Energietransformation bis zum Jahr 2050 untersucht. Hierbei werden ausgewählte Technologieszenarien simuliert und bewertet.

Das Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) entwickelt eine stationäre exergetische Bewertungsmethodik für Gebäude und große Gebäudegruppen und erstellt dynamische Simulationsmodelle für Gebäude, die als Grundlage für die dynamische Bewertungsmethodik dienen. In Kooperation mit dem Fraunhofer ISE erarbeitet das Fraunhofer IBP einen Vorschlag für die Integration sogenannter „LowEx“-Anlagenkonzepte und Exergie-Kennwerte in die Bewertung der EnergieEinspar-Verordnung (EnEV). Weiterhin übernimmt das Fraunhofer IBP den Wissenstransfer in das Bauwesen und die Energiewirtschaft sowie hierfür die Durchführung von nationalen und internationalen Workshops.

Das E.ON Energy Research Center der RWTH Aachen errichtet einen Hardware-in-the-Loop-Prüfstand, um verschiedene Energieversorgungssysteme untersuchen, das Stromnetz simulieren und Kenngrößen für die Netzkompatibilität entwickeln zu können. In Kooperation mit dem Fraunhofer ISE und dem Fraunhofer IBP erarbeitet das E.ON Energy Research Center ein Gesamtsimulationsmodell für ein Stadtquartier sowie eine dynamische exergetische Bewertungsmethodik für Kommunen.

Weitere Perspektiven

Bisher wurde die erste Phase der Energiewende mit dem Ausbau von Wandlern fluktuierender erneuerbarer Energien ohne wesentliche Begleitmaßnahmen im Netz und am Gesamtsystem vollzogen. Deren weiterer Ausbau ist notwendig, um die angestrebten Reduktionen der Emission von Treibhausgasen zu erreichen; dafür muss allerdings – in einer zweiten Phase der Energiewende  – das Gesamtsystem weiterentwickelt werden. Dies bedeutet vor allem eine Flexibilisierung der Stromnutzung und einen gleichzeitigen Aufbau von effizienten, schnell reagierenden Erzeugungsanlagen, die zunächst vor allem mit Erdgas und später zunehmend mit Biogas und Biomasse betrieben werden. Langfristig ist Power-To-Gas eine Option, die jedoch erst bei weitgehender Reduktion der Nutzung von Erdgas benötigt wird.

Es gibt kein netzoptimales Gebäude

Die sich ändernden Energieversorgungsstrukturen mit einem steigenden Anteil fluktuierender erneuerbarer Energien wirken sich auf die Wärmeversorgung der Gebäude so aus, dass zum einen die Bedeutung der mit dem Stromnetz interagierenden Systeme (Wärmepumpen und BHKW) zunehmen wird und zum anderen die netzgebundenen Versorgungen für Gebäudeensembles eine wichtigere Rolle einnehmen werden. In Bezug auf die Netzdienlichkeit strombasierter Wärme- und Kälteversorgung kann es aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der verschiedenen Stromnetzgrößen kein unter jeglichen Aspekten “netzoptimales” Gebäude geben. Vielmehr hängen die Anforderungen an das Strombezugsprofil von den angestrebten Zielen ab (z. B. Kosten minimieren, erneuerbare Energien nutzen).

Eine erste messdatenbasierte Analyse zeigt, dass das Strombezugsverhalten heutiger Nichtwohngebäude zur Gebäudebeheizung und -Kühlung meist weder besonders “netzdienlich” noch “netzadvers” ist. Große Chancen für ein netzangepasstes Verhalten liegen in der Übergangszeit mit geringer thermischer Lastanforderung. Weiterhin weisen manche hybride Systeme ein markantes Strombezugsprofil auf, welches durch eine angepasste Folgeschaltung der Wärme- und Kälteerzeuger beeinflusst werden kann.

Finanzielle Anreize fehlen

Für Gebäudebetreiber besteht derzeit kein hinreichender finanzieller Anreiz, um durch Lastverschiebung untertägige Schwankungen im Börsenstrompreis auszunutzen. In Anbetracht der geplanten Entwicklung des deutschen Energie-systems besteht dennoch bereits mittelfristig ein beträchtliches (auch ökonomisches) Interesse daran,  Schwankungen der Residuallast im Kraftwerkspark durch netzreaktive Verbraucher zu glätten und Überschüsse aus fluktuierenden erneuerbaren Energien gezielt zu nutzen. Vor diesem Hintergrund gilt es einerseits, den möglichen Beitrag des Gebäudesektors zur Netzstabilisierung genauer zu quantifizieren, und andererseits, wirtschaftliche Anreizsysteme für Gebäudebetreiber zu entwickeln, um den Gebäudesektor für Demand-Side-Management zu erschließen.

Informationen hierzu im weiteren Projektverlauf

Anwendungsreifes Werkzeug

Im Projektverlauf wurde das „Regenerative Energien-Modell Deutschland“ (REMod-D) entwickelt, ein Modell zur Simulation des kompletten Energiesystems im Strom- und Wärmesektor. Schon heute ist absehbar, dass der Strom- und Wärmesektor zunehmend konvergieren. Die ganzheitliche Modellierung des Strom-Wärme-Systems ist deshalb ein wichtiger Schritt, um die Zusammensetzung des künftigen Energiesystems zu optimieren.

Energetische und exergetische Bewertung

Anhand stationärer Bewertungsmethoden, werden die in der Querschnittsanalyse betrachteten Wärme- und Kälteversorgungskonzepten einer Analyse der Energie- und Exergieflüsse unterzogen. Für diese Analyse wird das „IEA ECBCSAnnex 49 Pre-Design tool“ verwendet. Das Excel-Tool erlaubt die ganzheitliche, stationäre Beurteilung der Energiewandlungsprozesse, von der Primärenergieumwandlung bis hin zur Gebäudehülle, eines Gebäudes. Der Vereinfachte Input-Output-Ansatz ermöglicht hierbei die energetische und exergetische Analyse jedes einzelnen Prozessschrittes. Dieser Ansatz kann für die Optimierung einzelner Anlagenkomponenten sowie des Gesamtgebäudes verwendet werden.

Ergänzende Informationen hierzu im weiteren Projektverlauf
 


Zusätzliche Informationen:

Verwandte Themen

 
  • Netzreaktive Gebäude: Hocheffiziente Wärmepumpenanlage mit einer Leistung von 500 Kilowatt thermisch in einem größeren Labor- und Bürogebäude: Wärmepumpen werden als „netzreaktive“ Komponente in der Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden ei
  • Netzreaktive Gebäude: Der Kaltwasserspeicher in einem Kälteversorgungskonzept mit erdgekoppelter, reversibler Wärmepumpe kann genutzt werden, um den Gebäudebetrieb netzdienlicher zu gestalten.
  • Netzreaktive Gebäude: Die Netzdienlichkeit R wird anhand vier verschiedener Größen für ein Nichtwohngebäude mit Büronutzung beispielhaft dargestellt: EEX Day-ahead-Preis (Strombörsenpreis), Residuallast (durch konventionelle, regelbare Kraftwerke g
  • Netzreaktive Gebäude: Die CO2-Reduktionsziele beeinflussen den Wandel der Heizungstechnologien: Installierte thermische Leistung von dezentralen Heizungstechnologien und von Solarthermie sowie die installierte elektrische Leistung zentraler netzgebundene
  • Netzreaktive Gebäude: Regenerative Energienmodell Deutschland: Mit der Software REMod-D kann das gesamte Energiesystem simuliert werden: Die fluktuierende Stromeinspeisung erneuerbarer Energien, die verschiedenen Formen konventioneller Stromerzeugung, di
  • Netzreaktive Gebäude: Regenerative Energienmodell Deutschland: Beispielhafte Zielwerte für 2050