Nachfragesteuerung (DSR) in der Fernwärme
Geschrieben von Sonja Salo. Früher veröffentlicht von Fourdeg Oy am Mon 10 Sep 2018 11:00:00 AM EEST
Dieser Artikel wurde zuvor in Kuntatekniikka (12/2016) veröffentlicht.
Die Ausstattung des Heizungssystems von Gebäuden mit intelligenten Steuergeräten kann erhebliche wirtschaftliche und ökologische Vorteile bringen. Sobald die Gebäude an das lokale Fernwärmenetz von Städten oder Gemeinden angeschlossen sind, sollten die Gebäude nicht einzeln optimiert werden, sondern das gesamte Fernwärmenetz als System, das gleichzeitig die Erzeugung, die Verteilung und den Verbrauch optimiert.
Etwa die Hälfte der finnischen Haushalte ist an die Fernwärme angeschlossen. Der Gesamtenergieverbrauch lag 2015 bei etwa 33 TWh, was einem Rückgang von 5 % gegenüber dem Vorjahr entspricht, was auf das rekordverdächtig warme Wetter zurückzuführen ist.
Fernwärme gilt als die kostengünstigste Art der Gebäudeheizung, insbesondere in städtischen Gebieten. Finnland verfügt wie andere nordische Länder über einige der umfassendsten Fernwärmenetze der Welt. Allerdings entwickeln sich alternative Heizungsformen in rasantem Tempo weiter. Der zunehmende Wettbewerb und der Wandel in der Energiepolitik üben einen großen Druck auf die Fernwärmeunternehmen aus, sich zu verändern.
Fernwärme wird derzeit direkt für den Bedarf der Verbraucher und zu ziemlich starren Preisen produziert. Der Fernwärmeverbrauch schwankt sowohl saisonal als auch täglich je nach Außentemperatur und Verbraucherverhalten. Flexibilität in der Energieversorgung wird hauptsächlich durch Änderungen in der Produktion, die Nutzung großer Wassertanks und die Optimierung des Verteilungsnetzes erreicht. Kurzzeitige Nachfragespitzen müssen oft durch fossile Brennstoffe ersetzt werden, da diese für schnelle Änderungen in der Wärmeerzeugung geeignet sind.
Die Wärme wird in Strukturen gespeichert
Alternativ dazu könnte der Energieverbrauch einzelner Gebäude während momentaner Verbrauchsspitzen nach unten angepasst werden. Das Ziel der Fernwärme-Nachfragesteuerung besteht darin, die von den Gebäuden benötigte Wärmemenge im Laufe der Zeit zu übertragen und gleichzeitig den Gesamtenergiebedarf des Netzes zu optimieren. So kann beispielsweise einige Stunden vor einer Nachfragespitze Wärmeenergie an Gebäude geliefert werden. Die gelieferte Energie wird entweder in Warmwasserspeichern oder in den Gebäudestrukturen gespeichert, wodurch der Energiebedarf der Gebäude während der Nachfragespitze reduziert wird. Dadurch wird die Inbetriebnahme eines teuren Reservekraftwerks vermieden.
Das Demand Side Management für Fernwärme hat Ähnlichkeiten mit dem für Strom. International wird Demand Side Management auch als Gesamtenergieeinsparung verstanden, und Demand Response bezieht sich in elektrischen Systemen auf die Übertragung von Energie über die Zeit. Im Gegensatz zur Elektrizität muss die Fernwärme vor Ort erzeugt werden.
Auch die Fernwärme ist als Energieform starrer, sie reagiert langsamer auf Veränderungen, und Flexibilität muss im Voraus geplant werden. Bei der intelligenten Temperaturregelung bemerkt der Endnutzer die momentane Veränderung der Heizung aufgrund der langsamen Reaktion nicht.
Das ultimative Ziel der Nachfragesteuerung (Demand Side Response, DSR ) ist es, Einsparungen sowohl beim Energieverbrauch als auch bei den Kosten zu erzielen, ohne dabei die Benutzerfreundlichkeit zu beeinträchtigen. Daher sind die Möglichkeiten der Nachfragesteuerung bei Warmwasser und Fernwärme begrenzt.
Virtuelle Wärmebatterie
An die Fernwärme angeschlossene Gebäude können Teil eines virtuellen, verteilten Wärmespeichers mit intelligenter Steuerung sein. Diese lokalen kleinen Wärmespeicher erscheinen dem Fernwärmeunternehmen als eine große, virtuelle Wärmebatterie, die vom Betreiber wie eine große Wassertank-Wärmebatterie geladen und entladen werden kann.
Ein dezentrales thermisches Speichersystem funktioniert wie ein virtuelles Kraftwerk in elektrischen Systemen. Auf diese Weise kann ein Fernwärmeunternehmen seine virtuelle Batteriekapazität mit einer relativ geringen Investition erhöhen, ohne einen physischen Speicher zu besitzen.
Die verteilten Wärmespeicher können mit Geräten, die mit dem Internet der Dinge verbunden sind, aus der Ferne verwaltet werden. Zu ihren Vorteilen gehören niedrige Investitionskosten, vorausschauende Wartung und effiziente Raumnutzung. Ein dezentraler Wärmespeicher in einer fernbeheizten Immobilie ist ein wesentlicher Wärmespeicher.
Der Wärmespeicher lädt und entlädt sich in die Strukturen entsprechend der Veränderung der Raumlufttemperatur, was eine kurzfristige Wärmespeicherung von etwa einigen Stunden ermöglicht.
Wenn Heizkörper ihre Leistung erhöhen, erwärmt sich aufgrund der geringeren Wärmekapazität zunächst die Raumluft. Danach wird die Wärmeenergie langsam in die Strukturen des Raums, wie Wände, Boden und Decke, übertragen.
Dementsprechend geben die Raumstrukturen bei abnehmender Leistung der Heizkörper die Wärmeenergie langsam an die Raumluft ab, wobei die Temperatur konstant gehalten wird.
Die thermische Speicherkapazität kann erhöht werden
Das Speicherpotenzial von Bauwerken hängt in hohem Maße von der Wärmekapazität des Materials, seiner Masse und dem Wärmegefälle ab, an das der Speicher angelegt wird. Die an das Demand Side Management angeschlossenen Gebäude sollten schwer strukturiert sein und daher eine hohe Wärmekapazität besitzen.
Die Wärmespeicherkapazität kann durch Hinzufügen von Latentwärmespeichern (LHS) anstelle von fühlbaren Wärmespeichern (SHS) erhöht werden, was entweder durch aktive Systeme oder durch die passive Integration von Phasenwechselmaterialien in die Strukturen realisiert werden kann.
Die Ausstattung eines Gebäudes mit intelligenten Steuerungen reduziert den Energieverbrauch eines Gebäudes, da die Steuerungen die Innentemperatur der Räume ausgleichen, die Temperatur bei Abwesenheit absenken und die individuelle Wärmekapazität des Gebäudes erlernen. Mit der richtigen Steuerung optimiert sich das Gebäude und spart Energie.
Bei der Nachfragesteuerung kann die Innentemperatur eines Gebäudes vorübergehend ansteigen, wodurch sich die Wärmeverluste erhöhen. Das Gebäude kann daher mehr Energie verbrauchen, als es während des Wärmeausfalls einspart. Dieser erhöhte Energiebedarf wurde jedoch während eines kosteneffizienten Zeitraums realisiert, und die Gesamtkosten der Energieerzeugung können dennoch gesenkt werden.
Die Leistung kann um bis zu 30 % gesenkt werden
Das Speicherpotenzial von Bauwerken hängt weitgehend von der Wärmekapazität des Materials, seiner Masse und dem thermischen Gradienten ab, auf den die Speicherung angewendet wird. Die mit der Nachfrageelastizität verbundenen Gebäude sind so schwer wie möglich, d. h. sie haben eine große thermische Masse.
Die Wärmespeicherkapazität kann erhöht werden, indem man sich für die Latentwärmespeicherung anstelle der fühlbaren Wärmespeicherung entscheidet, was entweder mit aktiven Systemen oder durch die passive Integration von Phasenwechselmaterial in Strukturen realisiert werden kann.
Die Ausstattung des Gebäudes mit intelligenten Steuergeräten senkt den Energieverbrauch des Gebäudes, wenn die Steuerungen die Innentemperatur der Räume ausgleichen, die Temperatur bei Abwesenheit absenken und den individuellen Wärmewiderstand des Gebäudes lernen. Mit der richtigen Steuerung spart das Gebäude als Ganzes Energie.
Bei der Nachfrageelastizität kann die Innentemperatur des Gebäudes vorübergehend ansteigen, wodurch auch die Wärmeverluste zunehmen. Das Gebäude kann dann mehr Energie verbrauchen, wenn es während eines Stromausfalls Wärme spart. Dieser erhöhte Energiebedarf wurde jedoch in einer kosteneffizienten Zeit realisiert, so dass die Gesamtproduktionskosten sinken können.
Die Spitzenleistung kann um bis zu 30% reduziert werden
Es wurden sowohl raumspezifische als auch netzweite Simulationen für die Flexibilität des Fernwärmebedarfs durchgeführt. Die Raumsimulation hat gezeigt, dass die Schwachstellen des Gebäudes in den Eckräumen liegen, die einen größeren Wärmeverlust aufweisen als der Rest des Gebäudes. Mit einer raumspezifischen Heizungssteuerung ist es daher möglich, das Speicherpotenzial des gesamten Gebäudes zu nutzen.
Nach Untersuchungen in Jyväskylä ist es möglich, den Stromverbrauch des Fernwärmesystems um bis zu 25-30 % zu senken, was bedeutet, dass z. B. der Betrieb einer Heizzentrale, die mit Heizöl betrieben wird, vermieden werden kann.
Die Bedarfsflexibilität der Fernwärme ist Teil des intelligenten Fernwärmenetzes der Zukunft. Auf der Grundlage der Netzsimulation kann ein Fernwärmeunternehmen durch den Einsatz einer dezentralen Wärmebatterie etwa 5-10 % der variablen Kosten für Fernwärme einsparen.
Der Anteil der variablen Kosten an den Gesamtkosten der Fernwärmeerzeugung variiert beispielsweise in Abhängigkeit von der Produktionsstruktur, der Größe und dem Alter des Fernwärmenetzes. Bei der Simulation wurden die Abhängigkeiten der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage und der Großwärmepumpe vom Spotpreis für Strom berücksichtigt.
Ein Energieunternehmen kann einen Mehrwert für das bestehende Geschäft finden, indem es ein Gespräch mit dem Kunden eröffnet. Dies führt zu einer der zentralen Fragen der Nachfrageelastizität: Wie können wir die Verbraucher dazu bringen, sich an der Elastizität zu beteiligen? Die Technologie ist zwar vorhanden, aber die richtigen wirtschaftlichen und sozialen Anreize werden erst noch entwickelt.
Auch die Einstellung der Verbraucher zur endlosen Energieversorgung sollte aktualisiert werden. Der öffentliche Sektor könnte ein Trendsetter und Vorreiter für eine sauberere, intelligentere und effizientere Fernwärme sein.
Quellen:
Energiateollisuus (2015) Energiavuosi
Sonja Salo (2016) Predictive Demand-Side Management in District Heating and Cooling Connected Buildings,
Kärkkäinen et al. (2004) Nachfragesteuerung von Fernwärmesystemen
