Wärmewende Wärmepumpen und der Einfluss von PV ... · JAZ=2 Elektro-WP JAZ=3 Elektro-WP JAZ=5...

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

2

4

6

8

10

122

00

6

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

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

27

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

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

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0.6

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0 6 12 18 0 6 12 18

PV-p

ow

er

in k

W/k

Wp

Time in h

aktueller Zeitpunkt

PV-L

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tung in k

W/k

Wp

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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

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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

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0.00 6 12 18 0 6 12 18

Stunde des Tages

Betrachtungs-horizont

PV Vorhersage

PV Messdaten

Betrachtungshorizont

Lokal erstellte adaptive PV-Prognose

30

0.0

0.1

0.2

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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

31

0.0

0.1

0.2

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0.4

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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

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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

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%

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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%

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)

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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

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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

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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

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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)

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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.

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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

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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

pvspeicher.htw-berlin.de