Zimmermann Schuch IT2016 - Elgevos · Dr. Ingo Schuch ‐Innovationstage 2016 ‐Bonn Anbauversuch zur volatilen Belichtung 0 2 4 6 8 14. Dez 21. Dez 28. Dez 04. Jan 11. Jan 18. Jan

Machbarkeitsstudie zur Elektroenergieversorgung von Gewächshäusern bei einer volatilen Stromversorgung mit hohem Anteil erneuerbarer Energien

ELGEVOS

Innovationstage 2016Britta Zimmermann, Dr. Ingo Schuch

Dr. Ingo Schuch ‐ Innovationstage 2016 ‐ BonnBritta Zimmermann ‐ Innovationstage 2016 ‐ Bonn

ELGEVOSPräsentation Teil I

Inhalt

Motivation

Stromhandel

Lastmanagement im Beispielsystem

Projektinhalte


Erneuerbare Energien (EE) in Deutschland: Anteile am Endenergieverbrauch


EE im Stromsystem

Volatile Einspeisung aus Windenergie und Photovoltaik (PV)

Windturbinen im Norden, PV im Süden

Kurze Prognosehorizonte

Transportengpässe, Netzstabilität

Schwankende Strompreise

Dr. Ingo Schuch ‐ Innovationstage 2016 ‐ Bonn

Netzstabilität und Systemdienstleistungen

Netzstabilität: Erzeugung = Verbrauch

Stromhandel am Terminmarkt und am Spotmarkt

Bei Abweichungen:

Regelleistung und Momentanreserve zur Frequenzhaltung

Spannungshaltung und Blindleistungsmanagement

Netzengpassmanagement

Versorgungswiederaufbau

Britta Zimmermann ‐ Innovationstage 2016 ‐ Bonn


Netzstabilität und Systemdienstleistungen

Netzstabilität: Erzeugung = Verbrauch

Stromhandel am Terminmarkt und am Spotmarkt

Bei Abweichungen:

Regelleistung und Momentanreserve zur Frequenzhaltung

Spannungshaltung und Blindleistungsmanagement

Netzengpassmanagement

Versorgungswiederaufbau



Spotmarktpreise Day-Ahead 2014

Starke Volatilität der Preise

Teilweise negative Preise

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

Stunden des Jahres 2014

Spo

tmar

ktpr

eise

DA

in E

UR

/MW

h


Lastverschiebung

13.3.2014-20.3.2014

1720 1740 1760 1780 1800 1820 1840 1860-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

Stunden des Jahres 2014

Spot

mar

ktpr

eise

DA

in E

UR

/MW

h

6h


Flexibilität im Beispielsystem

*

Solarkollektor-Gewächshaus mit• Wärmespeicher• Wärmepumpe (Heizen/ Kühlen)• Elektroheizung• Belichtung


Regelleistung

Positive RL:

Erzeugung < Bedarf

Erhöhung der Erzeugungsleistung

Senken des Verbrauchs

Negative RL:

Erzeugung > Bedarf

Senken der Erzeugungsleistung

Erhöhung des Verbrauchs

*

*


Das Projekt

• Betriebssimulation Gewächshaus mit Wärmepumpe und Speicher

• Simulation des Lastmanagements• Entwicklung einer Betriebsstrategie• Wirtschaftliche Machbarkeit

HU Berlin

Fraunhofer IWES• Rahmenbedingungen Strommärkte• Szenarien von (regionalem) Überschussstrom• Kostenoptimierter Einsatz der Stromverbraucher (Heizen/ Belichtung)

IGZ• Experimente und Simulationen zur flexiblen Belichtung: Auswirkungen auf Photosynthese, Wachstum, Ertrag und Heizenergiebedarf

• Wirtschaftliche Energiemanagementkonzepte für Gewächshäuser

• Nutzung von volatiler erneuerbarer Energie

• Flexibler Betrieb von Heizung, Kühlung, Belichtung

• Speicherdimensionierung

Ergebnis


ELGEVOSPräsentation Teil II

Inhalt

Zwischenergebnisse

Anbauversuche im Gewächshaus

Modellierungsarbeiten

Simulation von Szenarien

Ausblick


Anbauversuch zur volatilen Belichtung

0

2

4

6

8

14. Dez 21. Dez 28. Dez 04. Jan 11. Jan 18. Jan 25. Jan 01. Feb 08. Feb 15. Feb

Tomaten

ertrag [ kg/m

²]

konstante Belichtung (9 h/d mit 200 µmol/m²s)

volatile Belichtung (3x3 h/d mit 200 µmol/m²s)

(Kläring und Ramírez 2016)


0

2

4

6

8

10

12

14

16Tomaten

ertrag [ kg/m

2]

konstante Lüftung (> 24 °C)

volatile Wärmepumpenkühlung (3x2 h/d mit 128 W /m² bei > 24 °C)

Anbauversuch zur volatilen Kühlung

el


0

3

6

9

12

15

18

21

24

15

16

17

18

19

20

21

22

23

00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00

Wärmeleistun

g [ kW

]Tran

spira

tionsrate [ m

g/m²s ]

Taup

unktab

stan

d [ K ]

Tempe

ratur [ °C ]

Lufttemperatur Blatttemperatur Vegetationsheizung

Transpiration Taupunktabstand

Anbauversuch zur volatilen Heizung

Entwicklung eines Betauungssensorszur Messung der Blattkondensationund Heizungsregelung…


Modellentwicklung zur PhotosyntheseNettoph

otosynthese[ gCO

2/m²d ]

(Kläring und Ramírez 2016)

Zusatzbelichtung 70 Tage je 9 h/d


Modellentwicklung zu Energieströmen


Simulation des thermischen Speichers

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

Wassertem

peratur im

Wärmespe

icher [ °C

]Speichertemperatur mit ZINEG (6 m³/m²) ohne RL

Speichertemperatur mit ZINEG (6 m³/m²) und RL (126/63 h mit 20/1 MW)


Simulation der Wärmepumpeneffizienz

4.44.2

3.03.2

4.4

4.1

3.03.2

0

1

2

3

4

5

WP warm WP kalt WP warm (+ Umwälzung) WP kalt (+ Umwälzung)

Jahresarbe

itszahl des W

ärmep

umpe

nsystems

Arbeitszahl mit ZINEG (6 m³/m²) ohne RL

Arbeitszahl mit ZINEG (6 m³/m²) und RL (126/63 h mit 20/1 MW)


Simulation des erneuerbaren Deckungsgrades

Deckungsgrad mit ZINEG (6 m³/m²) ohne RL

Deckungsgrad mit ZINEG (6 m³/m²) und RL (126/63 h mit 20/1 MW)


Ausblick

Verknüpfung der Modelle zur thermischen und elektrischen Energie, Photosynthese und Transpiration sowie zum Regelleistungsmarkt

Antrag auf Projektverlängerung um 1 Jahr bis 04/2018

Softwareentwicklung:

Diese soll es den Nutzern ermöglichen, Szenarien für Gewächshäuser zu rechnen und die Relevanz der Nutzung von Strom aus der Erzeugung von erneuerbaren Quellen zu bewerten.

Dies bedeutet zum Beispiel, dass entschieden werden kann, ob technische Verbrauchs‐ bzw. Speichereinheiten eines Gewächshauses zum Heizen/Kühlen bzw. zur Belichtung der Pflanzen eingesetzt werden sollten oder stattdessen effektiver am Regelleistungsmarkt teilnehmen.


Ausblick (Projektverlängerung)

Zugriff auf die ZINEG‐Datenbankmit 5‐jährigen Messreihen

Eingabe von Gewächshaus‐Parametern und technischen Systemkomponenten (Kessel, Wärmepumpe, Speicher, BHKW, …)

SIMZINEGSoftware zur Simulation der Energie‐versorgung von Gewächshäusern aus volatilen Stromnetzen

Ihre Fragen?

Vielen Dank!

Britta ZimmermannFraunhofer [email protected]

Dr. Ingo SchuchHU Berlin

[email protected]



Stromhandel in Deutschland

Terminmarkt (mehrere Jahre)

Spotmarkt: Day-Ahead (24h) und Intraday (≤24h)

Regelleistungsmarkt (kurzfristige Frequenzabweichungen)

Primär-RL

Sekundär-RL

Minutenreserve



Entwicklung Spotmarktpreise

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 201510

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Jahr

Spotmarktpreise in

EUR/MWh

Off‐Peak 20:00 bis 08:00Peak 08:00 bis 20:00

Monatliche Durchschnittspreise Day-Ahead


Teilnahme am RL-Markt

Gemäß §20 Absatz 1 des Gesetzes über die Elektrizitäts- und Gasversorgung (EnWG) „hat jeder Anbieter aufgrund des Netzzugangsanspruches den Anspruch auf Teilnahme an den Regelenergiemärkten“. Die technischen Voraussetzungen und Gegebenheiten potenzieller Anbieter müssen im Einzelnen näher untersucht werden (Bundesnetzagentur).

Bei der Ausschreibung werden zunächst die Leistungspreise gewertet. Der Leistungspreis ist der Preis der pro Zeitscheibe und Megawatt für die vorgehaltene Leistung bezahlt wird. Dabei ist es nicht entscheidend, ob die Leistung tatsächlich abgerufen wird. Wurden die Aufträge zur Erbringung erteilt und Leistung muss abgerufen werden, ist die Höhe der angebotenen Arbeitspreise maßgebend. Der Arbeitspreis wird je Stunde und Megawatt abgerufene Leistung vergütet.


Entwicklung Leistungspreise(negative Sekundär-RL)

Durchschnittliche Leistungspreise für negative Sekundärregelleistung

2009 2010 2011 2012 2013 2014 20150

50

100

150

200

250

300

Jahr

Leistun

gspreis

in EUR/MW/h

Alle Preise5%‐ bis 95%‐Quantil25%‐ bis 75%‐QuantilLeistungsgewichteter Durchschnitt


Entwicklung Arbeitspreise(negative Sekundär-RL)

Durchschnittliche Arbeitspreise für negative Sekundärregelleistung

2009 2010 2011 2012 2013 2014 20150

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Jahr

Arbeitspreis in EU

R/MWh

Alle Preise5%‐ bis 95%‐Quantil25%‐ bis 75%‐QuantilMarginaler AbrufpreisLeistungsgewichteter Durchschnitt


Anbauversuch zur volatilen Kühlung

100 10097

114

80

90

100

110

120

130

Früchte > 50 g Früchte < 50 g

Ertrag [ kg/m ] Ertrag [ kg/m ]

Tomaten

ertrag [ % ]

Qualitätsstufen

konstantes Ablüften (bei > 24 °C)

volatile Wärmepumpenkühlung (3x2 h/d mit 128 W /m² bei > 24 °C)el

2 2


Modellvalidierung thermischer Speicher (Ladung)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Jan Feb Mrz Apr Mai

Mittlere Spe

iche

rtem

peratur [ °C ]

Messung ZINEG Berlin Simulation


Modellvalidierung thermischer Speicher (Entladung)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Sep Okt Nov Dez Jan

Mittlere Spe

iche

rtem

peratur [ °C ]

Messung ZINEG Berlin Simulation

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