Vraagrespons (Demand Side Response - DSR) bij stadsverwarming
Geschreven door Sonja Salo. Eerder gepubliceerd door Fourdeg Oy op ma 10 sep 2018 11:00:00 AM EEST
Dit artikel is eerder gepubliceerd in Kuntatekniikka (12/2016)
Het uitrusten van het verwarmingssysteem van gebouwen met intelligente regelapparatuur kan aanzienlijke economische en milieuvoordelen opleveren. Zodra de gebouwen zijn aangesloten op het plaatselijke stadsverwarmingsnet van steden of gemeenten, moeten niet de gebouwen afzonderlijk worden geoptimaliseerd, maar het gehele stadsverwarmingsnet als een systeem dat tegelijk de productie, de distributie en het verbruik optimaliseert.
Ongeveer de helft van de Finse woningen is aangesloten op stadsverwarming. Het totale energieverbruik bedroeg in 2015 ongeveer 33 TWh, een daling van 5 procent ten opzichte van het voorgaande jaar, als gevolg van het recordwarme weer.
Stadsverwarming wordt beschouwd als de meest kosteneffectieve manier om gebouwen te verwarmen, vooral in stedelijke gebieden. Finland beschikt, net als andere Noordse landen, over enkele van de meest uitgebreide stadsverwarmingsnetwerken ter wereld. Alternatieve vormen van verwarming ontwikkelen zich echter in een snel tempo. Toenemende concurrentie en veranderingen in de richting van het energiebeleid zetten de stadsverwarmingsbedrijven onder grote druk om te veranderen.
Stadsverwarming wordt momenteel rechtstreeks geproduceerd om te voldoen aan de vraag van de consument en tegen vrij strikte prijzen. Het verbruik van stadsverwarming varieert zowel seizoensgebonden als dagelijks, afhankelijk van de buitentemperatuur en het gedrag van de consument. Flexibiliteit in de energievoorziening wordt voornamelijk bereikt door veranderingen in de productie, het gebruik van grote waterreservoirs en de optimalisering van het distributienetwerk. Kortstondige pieken in de vraag moeten vaak worden vervangen door fossiele brandstoffen, omdat deze geschikt zijn voor snelle veranderingen in de warmteproductie.
De warmte wordt opgeslagen in structuren
Een andere mogelijkheid is dat het energieverbruik van individuele gebouwen tijdens kortstondige verbruikspieken naar beneden wordt bijgesteld. Het doel van het beheer van de vraagzijde van stadsverwarming is de juiste hoeveelheid thermische energie over te dragen die gebouwen in de loop van de tijd nodig hebben, terwijl de totale energievraag van het netwerk wordt geoptimaliseerd. Zo kan bijvoorbeeld thermische energie aan gebouwen worden geleverd enkele uren vóór een piek in de vraag. De geleverde energie wordt opgeslagen in warmwatertanks of in de structuren van de gebouwen, waardoor de energievraag van de gebouwen tijdens de piekvraag wordt verminderd. Dit voorkomt het opstarten van een dure noodstroomcentrale.
Het vraagzijdebeheer voor stadsverwarming vertoont overeenkomsten met dat voor elektriciteit. Internationaal wordt Demand Side Management ook begrepen als totale energiebesparing, en Demand Response in elektrische systemen verwijst naar de overdracht van stroom in de tijd. In tegenstelling tot elektriciteit moet stadsverwarming lokaal worden geproduceerd.
Stadsverwarming is ook een meer rigide vorm van energie, en reageert trager op veranderingen en flexibiliteit moet vooraf worden gepland. Met intelligente temperatuurregeling merkt de eindgebruiker door de trage reactie niets van de kortstondige verandering van de verwarming.
Het uiteindelijke doel van demand side response (DSR) is het bereiken van besparingen op zowel het energieverbruik als de kosten, zonder dat dit ten koste gaat van het gebruiksgemak. Daarom heeft het beheer van de vraagzijde van huishoudelijk warm water en stadsverwarming slechts beperkte mogelijkheden.
Virtuele thermische batterij
Gebouwen die zijn aangesloten op stadsverwarming kunnen deel uitmaken van een virtuele, gedistribueerde warmteaccumulator met intelligente regeling. Deze lokale kleine warmteaccumulatoren verschijnen voor het stadsverwarmingsbedrijf als één grote, virtuele warmteaccumulator, die door de exploitant op dezelfde manier kan worden opgeladen en ontladen als een grote watertank-warmteaccu.
Een gedistribueerd warmteopslagsysteem werkt als een virtuele elektriciteitscentrale in elektrische systemen. Op die manier kan een stadsverwarmingsbedrijf zijn virtuele batterijcapaciteit met een relatief kleine investering verhogen zonder fysieke opslag in eigendom te hebben.
De gedistribueerde thermische opslag kan op afstand worden beheerd met apparaten die zijn aangesloten op het internet der dingen. De voordelen zijn lage investeringskosten, voorspellend onderhoud en efficiënt gebruik van de ruimte. Een gedistribueerde warmteopslag in een woning met stadsverwarming is een aanzienlijke warmteaccumulator.
De warmteaccumulator laadt en ontlaadt zich in de structuren naar gelang van de verandering van de luchttemperatuur in de ruimte, waardoor een kortstondige warmteopslag van ongeveer enkele uren mogelijk wordt.
Wanneer het vermogen van radiatoren toeneemt, warmt eerst de lucht in de kamer op als gevolg van het lagere thermische vermogen. Daarna wordt de thermische energie langzaam overgebracht op de structuren van de kamer, zoals de muren, de vloer en het plafond.
Dienovereenkomstig, als het vermogen van de radiatoren afneemt, dragen de kamerstructuren langzaam thermische energie over aan de kamerlucht terwijl een constante temperatuur wordt gehandhaafd.
De thermische opslagcapaciteit kan worden vergroot
Het opslagpotentieel van structuren hangt in grote mate af van de thermische capaciteit van het materiaal, de massa ervan en de thermische gradiënt waarop de opslag wordt toegepast. De gebouwen die zijn aangesloten op het vraagzijdebeheer moeten zwaar gestructureerd zijn en dus een grote thermische capaciteit bezitten.
De warmteopslagcapaciteit kan worden vergroot door latente warmteopslag (LHS) toe te voegen in plaats van voelbare warmteopslag (SHS), hetgeen kan worden gerealiseerd door actieve systemen of door de faseveranderingsmaterialen passief in de structuren te integreren.
Door een gebouw uit te rusten met intelligente regelaars daalt het energieverbruik van een gebouw, aangezien de regelaars de binnentemperatuur van de kamers in evenwicht brengen, de temperatuur tijdens afwezigheid verlagen en de individuele thermische capaciteit van het gebouw leren kennen. Met de juiste regeling wordt het gebouw geoptimaliseerd en wordt energie bespaard.
Bij vraagzijdebeheer kan de interne temperatuur van een gebouw tijdelijk stijgen, waardoor de warmteverliezen toenemen. Het gebouw kan dus meer energie verbruiken dan het bespaart tijdens de hitte-uitval. Deze verhoogde energievraag is echter gerealiseerd tijdens een kosteneffectieve periode en de totale kosten van de energieproductie kunnen nog steeds worden verlaagd.
Het vermogen kan tot 30% worden verminderd
Het opslagpotentieel van constructies hangt grotendeels af van de thermische capaciteit van het materiaal, de massa ervan en de thermische gradiënt waarop de opslag wordt toegepast. De gebouwen met vraagelasticiteit zijn zo zwaar mogelijk, dat wil zeggen dat ze een grote thermische massa hebben.
De warmteopslagcapaciteit kan worden verhoogd door te kiezen voor latente warmteopslag in plaats van voelbare warmteopslag, wat kan worden gerealiseerd met actieve systemen of door passieve integratie van materiaal met faseverandering in structuren.
Door het gebouw uit te rusten met slimme regelapparatuur daalt het energieverbruik van het gebouw, wanneer de regelingen de binnentemperatuur van de kamers in evenwicht brengen, de temperatuur tijdens afwezigheid verlagen en de individuele warmteweerstand van het gebouw leren kennen. Met de juiste regeling bespaart het gebouw als geheel energie.
Bij vraagelasticiteit kan de binnentemperatuur van het gebouw tijdelijk stijgen, waardoor ook de warmteverliezen toenemen. Het gebouw kan dan meer energie verbruiken wanneer het tijdens een stroomstoring warmte opslaat. Deze toegenomen energiebehoefte is echter op een kosteneffectieve manier gerealiseerd, waardoor de totale productiekosten kunnen dalen.
Het piekvermogen kan tot 30% worden verminderd.
Er zijn zowel kamerspecifieke als netwerksimulaties gemaakt voor de flexibiliteit van de vraag naar stadsverwarming. Uit de kamersimulatie bleek dat de zwakste punten van het gebouw zich in de hoekkamers bevinden, die een groter warmteverlies hebben dan de rest van het gebouw. Daarom is het met een kamerspecifieke verwarmingsregeling mogelijk het opslagpotentieel van het gehele gebouw te benutten.
Volgens onderzoek in Jyväskylä is het mogelijk het vermogen van het stadsverwarmingssysteem met 25-30% te verminderen, wat betekent dat het gebruik van een verwarmingscentrum dat bijvoorbeeld op stookolie werkt, kan worden vermeden.
De vraagflexibiliteit van stadsverwarming maakt deel uit van het intelligente stadsverwarmingsnet van de toekomst. Op basis van de netwerksimulatie kan een stadsverwarmingsbedrijf ongeveer 5-10% besparen op de variabele kosten van stadsverwarming door gebruik te maken van een gedistribueerde warmtebatterij.
Het aandeel van de variabele kosten in de totale kosten van de stadsverwarmingsproductie varieert naar gelang van bijvoorbeeld de productiestructuur, de omvang en de leeftijd van het stadsverwarmingsnet. Bij de simulatie is rekening gehouden met de afhankelijkheid van de gecombineerde elektriciteits- en warmteproductiecentrale en de grote warmtepomp van de spotprijs van elektriciteit.
Een energiebedrijf kan toegevoegde waarde vinden voor de bestaande business door het gesprek met de klant aan te gaan. Dit leidt tot een van de centrale vragen van vraagelasticiteit: hoe trekken we consumenten aan om deel te nemen aan elasticiteit? Hoewel de technologie bestaat, worden de juiste economische en sociale prikkels nog ontwikkeld.
Ook de houding van de consument ten aanzien van eindeloze energievoorziening moet worden bijgesteld. De publieke sector zou een trendsetter en pionier kunnen zijn voor schonere, slimmere en efficiëntere stadsverwarming.
Bronnen:
Energiateollisuus (2015) Energiavuosi
Sonja Salo (2016) Predictive Demand-side Management in District Heating and Cooling Connected Buildings,
Kärkkäinen et al. (2004) Beheer van de vraagzijde van stadsverwarmingssystemen