Efterspørgselsrespons (DSR) inden for fjernvarme
Skrevet af Sonja Salo. Tidligere offentliggjort af Fourdeg Oy på Mon 10 Sep 2018 11:00:00 AM EEST
Denne artikel blev tidligere offentliggjort i Kuntatekniikka (12/2016)
Udstyring af bygningers varmesystem med intelligente styringsenheder kan give betydelige økonomiske og miljømæssige fordele. Når bygningerne er tilsluttet byernes eller kommunernes lokale fjernvarmenet, skal bygningerne ikke optimeres individuelt, men hele fjernvarmenettet som et system, der samtidig optimerer produktion, distribution og forbrug.
Omkring halvdelen af de finske hjem er tilsluttet fjernvarme. Det samlede energiforbrug i 2015 var på ca. 33 TWh, hvilket er et fald på 5 % i forhold til året før på grund af det rekordvarme vejr.
Fjernvarme er blevet anset for at være den mest omkostningseffektive måde at opvarme bygninger på, især i byområder. Finland har ligesom de andre nordiske lande nogle af verdens mest omfattende fjernvarmenetværk. Alternative opvarmningsformer er imidlertid under hastig udvikling. Stigende konkurrence og ændringer i energipolitikkens retning lægger et stort pres på fjernvarmeselskaberne for at ændre sig.
Fjernvarme produceres i øjeblikket direkte for at imødekomme forbrugernes efterspørgsel og til en forholdsvis fast prisfastsættelse. Fjernvarmeforbruget varierer både sæsonmæssigt og dagligt afhængigt af udetemperaturen og forbrugernes adfærd. Fleksibilitet i energiforsyningen opnås hovedsagelig gennem ændringer i produktionen, anvendelse af store vandtanke og optimering af distributionsnettet. Momentane spidsbelastninger i efterspørgslen skal ofte erstattes af fossile brændsler, fordi de er velegnede til hurtige ændringer i varmeproduktionen.
Varmen bliver lagret i strukturer
Alternativt kan energiforbruget i de enkelte bygninger flekse nedad i forbindelse med momentane forbrugstoppe. Formålet med efterspørgselsstyring af fjernvarme er at overføre den rette mængde varmeenergi, som bygningerne har brug for over tid, samtidig med at det samlede energiforbrug i nettet optimeres. Der kan f.eks. leveres varmeenergi til bygninger et par timer før en efterspørgselsspids. Den leverede energi lagres enten i varmtvandsbeholdere eller i bygningernes konstruktioner, hvorved bygningernes energibehov reduceres i spidsbelastningsperioden. På den måde undgår man, at der skal sættes et dyrt reservekraftværk i gang.
Styringen af efterspørgselssiden for fjernvarme har ligheder med den, der anvendes for elektricitet. Internationalt forstås Demand Side Management også som samlede energibesparelser, og Demand Response i elektriske systemer henviser til overførslen af strøm over tid. I modsætning til elektricitet er fjernvarme tvunget til at blive produceret lokalt.
Fjernvarme er også en mere ufleksibel energiform, og den reagerer langsommere på ændringer, og fleksibilitet skal planlægges på forhånd. Med intelligent temperaturstyring bemærker slutbrugeren ikke den momentane ændring i opvarmningen på grund af den langsomme reaktion.
Det ultimative mål med demand side response (DSR ) er at opnå besparelser i både energiforbrug og omkostninger uden at gå på kompromis med brugervenligheden. Derfor har efterspørgselsstyring af varmt brugsvand og fjernvarme kun begrænsede muligheder.
Virtuelt termisk batteri
Bygninger, der er tilsluttet fjernvarme, kan være en del af en virtuel, distribueret varmeakkumulator med intelligent styring. Disse lokale små termiske lagre fremstår for fjernvarmeselskabet som ét stort, virtuelt termisk batteri, der kan oplades og aflades af operatøren på samme måde som et stort varmebatteri i en vandtank.
Et distribueret termisk lagringssystem fungerer som et virtuelt kraftværk i elektriske systemer. På denne måde kan et fjernvarmeselskab øge sin virtuelle batterikapacitet med en relativt lille investering uden at eje noget fysisk lager.
De distribuerede termiske lagre kan styres eksternt med enheder, der er forbundet til tingenes internet. Fordelene er bl.a. lave investeringsomkostninger, forudsigelig vedligeholdelse og effektiv udnyttelse af pladsen. Et distribueret termisk lager i en fjernvarmeejendom er en betydelig varmeakkumulator.
Varmeakkumulatoren oplades og aflades i strukturerne i overensstemmelse med ændringen i rumluftens temperatur, hvilket giver mulighed for kortvarig lagring af varme i et par timer.
Når radiatorerne øger effekten, opvarmes luften i rummet først på grund af den lavere varmekapacitet. Herefter overføres varmeenergien langsomt til rummets strukturer, f.eks. vægge, gulv og loft.
Efterhånden som radiatorernes effekt falder, overfører rumstrukturerne langsomt varmeenergi til rumluften, samtidig med at de opretholder en konstant temperatur.
Varmelagringskapaciteten kan øges
Konstruktioners lagringspotentiale afhænger i høj grad af materialets varmekapacitet, dets masse og den termiske gradient, som lagringen anvendes på. De bygninger, der er forbundet med efterspørgselsstyring, bør have en kraftig struktur og dermed en høj varmekapacitet.
Varmelagringskapaciteten kan øges ved at tilføje lagring af latent varme (LHS) i stedet for lagring af følsom varme (SHS), hvilket enten kan gennemføres ved hjælp af aktive systemer eller ved passivt at integrere faseændringsmaterialer i strukturerne.
Ved at udstyre en bygning med intelligente styringer reduceres bygningens energiforbrug, da styringerne afbalancerer rummenes indvendige temperatur, sænker temperaturen under fravær og lærer bygningens individuelle varmekapacitet at kende. Med den rigtige styring optimerer og sparer bygningen energi.
Med efterspørgselsstyring kan den indre temperatur i en bygning stige midlertidigt, hvilket medfører, at varmetabet stiger. Bygningen kan derfor forbruge mere energi, end den sparer under varmeafbrydelsen. Denne øgede energiefterspørgsel er imidlertid blevet realiseret i en omkostningseffektiv periode, og de samlede omkostninger til energiproduktion kan stadig blive reduceret.
Strømmen kan reduceres med op til 30 %
Strukturernes lagringspotentiale afhænger i høj grad af materialets varmekapacitet, dets masse og den termiske gradient, som lagringen anvendes på. De bygninger, der er forbundet med efterspørgselselasticitet, er så tunge som muligt, dvs. de har en stor termisk masse.
Varmelagringskapaciteten kan øges ved at vælge lagring af latent varme i stedet for lagring af følsom varme, hvilket kan ske enten med aktive systemer eller ved passivt at integrere faseændringsmateriale i strukturer.
Ved at udstyre bygningen med intelligente styringsenheder reduceres bygningens energiforbrug, når styringen afbalancerer rummenes indvendige temperatur, sænker temperaturen under fravær og lærer bygningens individuelle varmemodstand at kende. Med den rette styring sparer bygningen energi som helhed.
Med efterspørgselselasticitet kan bygningens indre temperatur stige midlertidigt, hvilket også medfører, at varmetabet stiger. Bygningen kan så forbruge mere energi, når den sparer varme under en strømafbrydelse. Dette øgede energiforbrug er imidlertid blevet gennemført på et omkostningseffektivt tidspunkt, og de samlede produktionsomkostninger kan således falde.
Spidseffekten kan reduceres med op til 30 %.
Der er foretaget både rumspecifikke og netdækkende simuleringer for fleksibilitet i fjernvarmeefterspørgslen. Rumsimuleringen viste, at bygningens svageste punkter ligger i hjørnerummene, som har et større varmetab end resten af bygningen. Med rumspecifik varmestyring er det derfor muligt at udnytte hele bygningens lagringspotentiale.
Ifølge undersøgelser i Jyväskylä er det muligt at reducere fjernvarmesystemets effekt med op til 25-30 %, hvilket betyder, at man kan undgå at bruge et varmecenter, der f.eks. kører på fyringsolie.
Fjernvarmens efterspørgselsfleksibilitet er en del af fremtidens intelligente fjernvarmenetværk. Baseret på netværkssimuleringen kan et fjernvarmeselskab spare ca. 5-10 % af de variable omkostninger til fjernvarme ved at anvende et distribueret termisk batteri.
De variable omkostningers andel af de samlede omkostninger ved fjernvarmeproduktion varierer afhængigt af f.eks. produktionsstrukturen, fjernvarmenettets størrelse og alder. I simuleringen blev der taget hensyn til det kombinerede el- og varmeproduktionsanlægs og den store varmepumpes afhængighed af spotprisen på elektricitet.
Et energiselskab kan finde merværdi til den eksisterende forretning ved at indlede en samtale med kunden. Dette fører til et af de centrale spørgsmål i forbindelse med efterspørgselselasticitet: Hvordan kan vi tiltrække forbrugerne til at deltage i elasticiteten? Teknologien findes, men de rette økonomiske og sociale incitamenter er stadig ved at blive udviklet.
Forbrugernes holdninger til endeløs energiforsyning bør også opdateres. Den offentlige sektor kan være trendsættende og foregangsmand for renere, smartere og mere effektiv fjernvarme.
Kilder:
Energiateollisuus (2015) Energiavuosi
Sonja Salo (2016) Predictive Demand-side Management in District Heating and Cooling Connected Buildings,
Kärkkäinen et al. (2004) Styring af fjernvarmesystemernes efterspørgselsside