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Wärmewende – Wärmepumpen und der Einfluss von PV-
Batteriespeichern auf einen netzdienlichen Betrieb
Tjarko Tjaden, Johannes Weniger, Joseph Bergner, Volker Quaschning
Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin
1. Herbstworkshop der Professur Energiespeichersysteme,
Dezentrale Sektorkopplung und Hybride Energiespeichersysteme
Dresden, 15. November 2016
unsanierterAltbau30 000 kWh/a
Gas-Brenn-wert
P2G
StromGas
46 000kWh/a
Effizienz elektrisch basierter Heizungssysteme
unsanierterAltbau30 000 kWh/a
Gas-Brenn-wert
P2G
SanierterAltbau15 000 kWh/a
KWK hel=40%
10 000 kWh/a
Gas-Brenn-wert
StromGas
46 000kWh/a
23 000kWh/a
38 000kWh/a
Effizienz elektrisch basierter Heizungssysteme
unsanierterAltbau30 000 kWh/a
Gas-Brenn-wert
P2G
SanierterAltbau15 000 kWh/a
KWK hel=40%
10 000 kWh/a
Gas-WPJAZ=2
Elektro-WP JAZ=3
Elektro-WPJAZ=5
Gas-Brenn-wert
StromGas
46 000kWh/a
23 000kWh/a
38 000kWh/a
11 500kWh/a
5000kWh/a
3000kWh/a
Effizienz elektrisch basierter Heizungssysteme
5
Kostenvergleich von Heizungssystemen
Ölheizung
Gasheizung
Holzpellet-heizung
Quellen: BSW, DEPV, Statistisches Bundesamt. Alle Kosten inklusive USt.
Jahresnutzungsgrad: Ölheizung (80%), Gasheizung (90%), Pelletheizung (80%)
Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe: 3,5
0
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8
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6
bre
nn
sto
ffb
ezo
ge
ne
Ko
ste
n in
ct/
kW
h
Wärmepumpe mit Heizstrom
6
Kostenvergleich von Heizungssystemen
Ölheizung
Gasheizung
Holzpellet-heizung
Quellen: BSW, DEPV, Statistisches Bundesamt. Alle Kosten inklusive USt.
Jahresnutzungsgrad: Ölheizung (80%), Gasheizung (90%), Pelletheizung (80%)
Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe: 3,5
Wärmepumpe mit Heizstrom
0
2
4
6
8
10
122006
200
7
200
8
200
9
201
0
201
1
201
2
201
3
201
4
201
5
201
6
bre
nn
sto
ffb
ezo
ge
ne
Ko
ste
n in c
t/kW
h
Wärmepumpe mit Haushaltsstrom
Wärmepumpe mit PV-Strom
• Je höher der Anteil PV-Strom am Wärmepumpen- und somit auch Haushaltsstromverbrauch, desto besser die Ökonomie.
7
module
Trink-
warmwasser-speicher
Wechsel-
richter
Verbraucher
Zwei-
richtungs-zähler
Regelung
=
Netz
Heizung
kWh
888.888
Außenluft,
Erdreich
Batterie-
speicher
=
Raum-temperatur
Wärme-pumpe
PV-System mit Batteriespeicher und Wärmepumpe
8
module
Trink-
warmwasser-speicher
Wechsel-
richter
Verbraucher
Zwei-
richtungs-zähler
Regelung
=
Netz
Heizung
kWh
888.888
Außenluft,
Erdreich
Batterie-
speicher
=
Raum-temperatur
Wärme-pumpe
PV-System mit Batteriespeicher und Wärmepumpe
1
2
321 → 23 °C
45 → 55 °C
alternativ:Überhitzung eines
Pufferspeichers
• Batteriespeicher weisen eine höhere Regeldynamik als Wärmepumpen auf und besitzen weniger Restriktionen.
• SG-Ready-Schnittstelle funktioniert unidirektional und sollte mit Bedacht eingesetzt werden
9
Regelung der Batterie
PVprog-Algorithmus – veröffentlicht unter MIT Lizenz und kommerziell nutzbar, sowie ab
Beginn 2017 in der Auslegungssoftware Polysun
https://pvspeicher.htw-berlin.de/veroeffentlichungen/daten/
10
Umsetzung des Energiemanagements
Regelungoptimale
Ladeleistung
aktueller Ladezustand
Optimierung
Prognosewerte
System
Messwerte
korrigierte
Ladeleistung
Ziel der Optimierung ist die Reduktion der Netzeinspeiseleistung und somit auch Vermeidung von Abregelungsverlusten.
Darüber hinaus werden die Zeiten mit hohem SOC verringert, was der Lebensdauer zuträglich ist.
11
Energieflüsse: Prognose mit Tagespersistenz
Annahme: Heute wird es so wie gestern.
Stromverbrauch 5300 kWh/a, PV-System 5,3 kWp, nutzbare Batteriekapazität 5,3 kWh
Einspeisegrenze = 60%
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Energieflüsse: Prognose mit Tagespersistenz
Annahme: Heute wird es so wie gestern.
Stromverbrauch 5300 kWh/a, PV-System 5,3 kWp, nutzbare Batteriekapazität 5,3 kWh
Einspeisegrenze = 60%
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Energieflüsse: Prognose mit Tagespersistenz
Annahme: Heute wird es so wie gestern.
Stromverbrauch 5300 kWh/a, PV-System 5,3 kWp, nutzbare Batteriekapazität 5,3 kWh
Einspeisegrenze = 60%
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Energieflüsse: Prognose mit Tagespersistenz
Annahme: Heute wird es so wie gestern.
Stromverbrauch 5300 kWh/a, PV-System 5,3 kWp, nutzbare Batteriekapazität 5,3 kWh
Einspeisegrenze = 60%
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Energieflüsse: Prognose mit Tagespersistenz
Annahme: Heute wird es so wie gestern.
Stromverbrauch 5300 kWh/a, PV-System 5,3 kWp, nutzbare Batteriekapazität 5,3 kWh
Einspeisegrenze = 60%
Die beste Optimierung nützt nichts, wenn sich die Prognosen im Tagesverlauf nicht
anpassen.
Zudem sollte auch die Optimierungmehrmals täglich durchgeführt werden
16
Lokal erstellte adaptive PV-Prognose
÷ Wetterlage ×
AktuellePV-Leistung
Vergangenheit
MaximalePV-Leistung
Zukunft
AktuellePV-Prognose
17
Lokal erstellte adaptive PV-Prognose
Max. gemessene PV-LeistungClear-Sky Modell ohne PV
18
Lokal erstellte adaptive PV-Prognose
Max. gemessene PV-LeistungClear-Sky Modell ohne PV
19
Lokal erstellte adaptive PV-Prognose
Max. gemessene PV-LeistungClear-Sky Modell ohne PV
20
Lokal erstellte adaptive PV-Prognose
Max. gemessene PV-LeistungClear-Sky Modell ohne PV
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Lokal erstellte adaptive PV-Prognose
Max. gemessene PV-LeistungClear-Sky Modell ohne PV
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Lokal erstellte adaptive PV-Prognose
Max. gemessene PV-LeistungClear-Sky Modell ohne PV
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Lokal erstellte adaptive PV-Prognose
Max. gemessene PV-LeistungClear-Sky Modell ohne PV
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Lokal erstellte adaptive PV-Prognose
Max. gemessene PV-LeistungClear-Sky Modell ohne PV
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Lokal erstellte adaptive PV-Prognose
Max. gemessene PV-LeistungClear-Sky Modell ohne PV
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Lokal erstellte adaptive PV-Prognose
Max. gemessene PV-LeistungClear-Sky Modell ohne PV
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0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0 6 12 18 0 6 12 18
PV-p
ow
er
in k
W/k
Wp
Time in h
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0 6 12 18 0 6 12 18
PV-p
ow
er
in k
W/k
Wp
Time in h
aktueller Zeitpunkt
PV-L
eis
tung in k
W/k
Wp
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.00 6 12 18 0 6 12 18
Stunde des Tages
PV Vorhersage
PV Messdaten
Betrachtungshorizont
Lokal erstellte adaptive PV-Prognose
28
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
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0 6 12 18 0 6 12 18
PV-p
ow
er
in k
W/k
Wp
Time in h
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0 6 12 18 0 6 12 18
PV-p
ow
er
in k
W/k
Wp
Time in h
aktueller Zeitpunkt
PV-L
eis
tung in k
W/k
Wp
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.00 6 12 18 0 6 12 18
Stunde des Tages
Betrachtungs-horizont
PV Vorhersage
PV Messdaten
Betrachtungshorizont
Lokal erstellte adaptive PV-Prognose
29
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0 6 12 18 0 6 12 18
PV-p
ow
er
in k
W/k
Wp
Time in h
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0 6 12 18 0 6 12 18
PV-p
ow
er
in k
W/k
Wp
Time in h
aktueller Zeitpunkt
PV-L
eis
tung in k
W/k
Wp
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.00 6 12 18 0 6 12 18
Stunde des Tages
Betrachtungs-horizont
PV Vorhersage
PV Messdaten
Betrachtungshorizont
Lokal erstellte adaptive PV-Prognose
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0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
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Wp
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0.7
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0.5
0.4
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0.2
0.1
0.00 6 12 18 0 6 12 18
Stunde des Tages
PV Vorhersage
PV Messdaten
Betrachtungshorizont
Lokal erstellte adaptive PV-Prognose
aktueller Zeitpunkt
31
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0 6 12 18 0 6 12 18
PV-p
ow
er
in k
W/k
Wp
Time in h
PV-L
eis
tung in k
W/k
Wp
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.00 6 12 18 0 6 12 18
Stunde des Tages
PV Vorhersage
PV Messdaten
Betrachtungshorizont
Lokal erstellte adaptive PV-Prognose
aktueller Zeitpunkt
32
Energieflüsse: Adaptive Last- und PV-Prognose
Stromverbrauch 5300 kWh/a, PV-System 5,3 kWp, nutzbare Batteriekapazität 5,3 kWh
Einspeisegrenze = 60%
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Energieflüsse: Adaptive Last- und PV-Prognose
Stromverbrauch 5300 kWh/a, PV-System 5,3 kWp, nutzbare Batteriekapazität 5,3 kWh
Einspeisegrenze = 60%
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Energieflüsse: Adaptive Last- und PV-Prognose
Stromverbrauch 5300 kWh/a, PV-System 5,3 kWp, nutzbare Batteriekapazität 5,3 kWh
Einspeisegrenze = 60%
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Energieflüsse: Adaptive Last- und PV-Prognose
Stromverbrauch 5300 kWh/a, PV-System 5,3 kWp, nutzbare Batteriekapazität 5,3 kWh
Einspeisegrenze = 60%
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Energieflüsse: Adaptive Last- und PV-Prognose
Stromverbrauch 5300 kWh/a, PV-System 5,3 kWp, nutzbare Batteriekapazität 5,3 kWh
Einspeisegrenze = 60%
37
Energieflüsse: Adaptive Last- und PV-Prognose
Stromverbrauch 5300 kWh/a, PV-System 5,3 kWp, nutzbare Batteriekapazität 5,3 kWh
Einspeisegrenze = 60%
Autonome PV- und Lastprognose passen sich alle 15min an. Im gleichen Takt läuft
die Optimierung des Fahrplans(Rechenzeit ca. 0,5 Sekunden auf einem Einplatinen-Computer)
38
Einbindung der Wärmepumpe
39
Hersteller-Umfrage zum „SG Ready Label“
• 4 mögliche Schaltzustände für Wärmepumpen
• 1: maximal 2 Stunden harte Sperrzeit
• 2: Normalbetrieb
• 3: Einschaltempfehlung zum verstärkten Betrieb
• 4: Einschaltbefehl mit neuen Sollwerten1021 WP-ModelleStand 14.10.2016
40
Hersteller-Umfrage zum „SG Ready Label“
• 4 mögliche Schaltzustände für Wärmepumpen
• 1: maximal 2 Stunden harte Sperrzeit
• 2: Normalbetrieb
• 3: Einschaltempfehlung zum verstärkten Betrieb
• 4: Einschaltbefehl mit neuen Sollwerten1021 WP-ModelleStand 14.10.2016
41
Festlegung einer robusten & vereinfachten Regelung
Normalbetrieb
• einsetzbar für Trinkwarmwasser- und Heizungswärmepumpen
• nur ein Parameterwert zum verändern (Endkunde, Installateur)
• Angaben zur Konfiguration lediglich PV- und Wärmepumpenleistung
• funktioniert sowohl mit als auch ohne Batteriespeichersystem
Schaltstufe „4“ hier ohne Heizpatrone und bei einer max. Temperatur von 55 Grad Celsius
42
Identifikation sinnvoller Regelparameter
Modernisierter Altbau PV-Leistung: 6,0 kWp, Batteriespeicher: 6,0 kWhWP-Leistung: 3 kWel
200 l TWW-Speicher, 500 l Pufferspeicher, 55 Grad Celsius Überhitzungstemperatur
43
Identifikation sinnvoller Regelparameter
Modernisierter Altbau PV-Leistung: 6,0 kWp, Batteriespeicher: 6,0 kWhWP-Leistung: 3 kWel
200 l TWW-Speicher, 500 l Pufferspeicher, 55 Grad Celsius Überhitzungstemperatur
eingesparter Netzbezug_____________________________________________________________________________________________________
zusätzlicher WP-Stromverbrauch
= 65 % „Round-Trip-Efficiency“
44
Identifikation sinnvoller Regelparameter
PassivhausPV-Leistung: 6,0 kWp, Batteriespeicher: 6,0 kWhWP-Leistung: 1,5 kWel
200 l TWW-Speicher, 500 l Pufferspeicher, 55 Grad Celsius Überhitzungstemperatur
45
Sinnvolle Regelparameter: Empfehlungen und Grenzen
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
140%
160%
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Ein
und A
usschaltp
ara
mete
r Empfehlung
min / max
(installierte PV-Leistung) / (installierte el. WP-Nennleistung)
46
Sinnvolle Regelparameter: Empfehlungen und Grenzen
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
140%
160%
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Ein
und A
usschaltp
ara
mete
r Empfehlung
min / max
(installierte PV-Leistung) / (installierte el. WP-Nennleistung)
• Es ist sehr wichtig, den Parameter nicht zu tief zu setzen, da hierbei sowohl betriebs- als auch volkswirtschaftlich der größte Schaden entsteht.
47
Einflüsse der Regelungen in der Anwendung
48
Simulation: Dörfliches Gebiet, 57 Haushalte
0
1
2
3
4
5
6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Gesam
twärm
ebedarf
in M
Wh
Monat des Jahres
min / max
Mittelwert
0
5
10
15
20
25
30
40
50
60
70
80
90
10
0
11
0
12
0
13
0
14
0
15
0
Häufigkeit
Gesamtwärmebedarf in kWh/(m² a)
Festlegung einer maximalen Leistung im Netz von 142 kVA (2,5 kVA pro Hausanschluss)
49
Ergebnisse:
• Bei typisch dimensionierten Systemen hat die Batterie einen größeren Einfluss auf den Autarkiegrad als die SG-Ready-Schnittstelle.
• Ökonomisch macht die Schnittstelle trotzdem Sinn, da die Umsetzung einfach ist.
• Prognosebasierte Betriebsstrate-gien sollten zur Vermeidung von Abregelungsverlusten und Verlänger-ung der Lebensdauer eingesetzt werden.
• Gezielte nächtliche Entladung des Batteriespeichers ins Netz sollte gesetzlich erlaubt werden.
• Die Effizienzen von Gebäuden und Wärmepumpen sind entscheidend für die künftige Stabilität im Verteilnetz.
50
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
pvspeicher.htw-berlin.de