WARAN – Wärme anbinden und netzdienlich nutzen
Die Wärmewende ist ein unverzichtbarer Schritt auf dem Weg hin zu einem klimaneutralen Energiesystem, da rund ein Fünftel der CO2-Emissionen in Deutschland durch Gebäudewärme und -kälte sowie Warmwasserbereitstellung entstehen. Insbesondere die Sektorkopplung zwischen Strom und Wärme bietet Potenziale, um die Last durch Wärmeanlagen zu flexibilisieren. Der Stromverbrauch von Wärmeanlagen kann damit an die zunehmend volatile, erneuerbare Energieproduktion angepasst und die Auslastung der Netze optimiert werden. Im Projekt WARAN wird das intelligente Messsystem (iMSys) für den Mess- und Steuerungseinsatz im Wärmesektor ertüchtigt und im Rahmen von Reallaboren erprobt. So wird die Kopplung der Sektoren Strom und Wärme in einem digitalisierten Gesamtsystem ermöglicht.
Motivation
Millionen kleinteiliger, dezentral verteilter Verbrauchs- und Erzeugungsanlagen von Strom und Wärme müssen in unser zunehmend aus erneuerbaren, volatilen Quellen gespeisten Energiesystem integriert werden. Das bedeutet zum einen, dass flexible Verbrauchseinrichtungen wie Wärmepumpen und Wallboxen an die volatile Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Quellen angepasst werden, zum anderen, dass die Flexibilität von Erzeugungs- und Verbrauchseinrichtungen genutzt wird, um die Auslastung des Stromnetzes zu verringern.
Intelligente Messsysteme, auch Smart Meter genannt, sind die digitale Basistechnologie, um dies zu ermöglichen. Ihre Funktionalitäten wie die Übermittlung von Mess- und Steuersignalen über Smart Meter Gateways (SMGW) ermöglichen nicht nur die Integration kleinteiliger Flexibilitäten ins Energiesystem, sondern bieten darüber hinaus auch Möglichkeiten für Erzeuger, Verbraucher und Prosumer, am zukünftigen Energiemarkt aktiv teilzunehmen und davon auch finanziell zu profitieren.
Die Digitalisierung der Energiewende in Deutschland ist in den letzten Jahren nur schleppend in Gang gekommen. Insbesondere der Wärmesektor bietet sowohl im Bereich der Einzelheizungen mit Wärmepumpen als auch in Wärmenetzen mit zentraler Wärmeversorgung ein großes Potenzial, um Treibhausgasemissionen zu verringern. Die Wärmeversorgung macht über 50% des Endenergieverbrauchs in Deutschland aus und basiert heute zu einem großen Teil auf der Verbrennung fossiler Rohstoffe, was entsprechend hohe Treibhausgasemissionen mit sich bringt.
Zielsetzung
Im Projekt WARAN wird die Sektorkopplung von Strom und Wärme umfassend beleuchtet, technisch vorbereitet und in Reallaboren erprobt. Dabei wird das iMSys für den Mess- und Steuerungseinsatz im Wärmesektor ertüchtigt. Strom-zu-Wärme-Anlagen werden zur Messwerterfassung und Steuerung über den Kommunikationskanal CLS an das iMSys angebunden.
Der Fokus liegt auf der Einbindung von Wärmepumpen, aber auch auf der Einbindung weiterer Wärme- und Kälteerzeuger sowie Kundenanlagen und Wärmetauscher in Wärmenetzen. Dabei werden die Auswirkungen auf die Stromnetze untersucht und Use Cases wie der netzdienliche Betrieb von Strom-zu-Wärme-Anlagen im Reallabor erprobt.
Außerdem soll in einem Feldtest das bestehende Hybridkraftwerk „HyRek“ über die iMSys-Infrastruktur in ein virtuelles Kraftwerk für die Nutzung von überschüssiger regenerativer Energie sowie für netz- und systemdienliche Zwecke integriert werden.
Darüber hinaus ist es ein Ziel von WARAN, Mehrwertdienste (u.a. Flexibilitäten/Speicherpotenziale) im Rahmen der Digitalisierung der Sektorkopplung zu erarbeiten sowie regulatorische und kommerzielle Fragestellungen zu identifizieren und in Standardisierungsprozesse einzubringen.
Projektstruktur
Das Projekt gliedert sich in 8 Arbeitspakete (APs). Mit der Anforderungsdefinition und Konzepterstellung (AP1) als Grundlage werden im Cluster Technologieentwicklung in drei APs technische Lösungen in den Bereichen „Strombasierte Wärme-/Kälteerzeugung und thermische Speicher“ (AP2), „Intelligente Wärmenetze“ (AP3) und „Lösungen für eine sektorübergreifende Wärmewende“ (AP4) umgesetzt. Schließlich werden Labor- und Feldtests durchgeführt (APs 5 und 6). Außerdem werden Geschäftsmodelle, Kundenanwendungen und mögliche weitere Verwertungspotenziale aufgezeigt (AP7) sowie Vorschläge zur Standardisierung und der Beschleunigung des Rollouts intelligenter Messysteme in den agilen Weiterentwicklungsprozess mit BMWK, BSI, BNetzA und weiteren relevanten Behörden in den agilen Weiterentwicklungsprozess eingebracht (AP8).
Die FfE leitet die Entwicklung und Ausarbeitung der im Projekt umzusetzenden Use Cases in AP1. Sie übernimmt zudem die Untersuchung und energiewirtschaftliche Bewertung der Auswirkungen der Anwendungsfälle auf das Stromnetz, indem sie das bestehende Verteilnetzmodell GridSim mit Blick auf die Sektorkopplung von Strom und Wärme weiterentwickelt (AP2). Außerdem ist die FfE als neutraler wissenschaftlicher Projektpartner für die wissenschaftliche Begleitung der Labor- und Feldtests zuständig (APs 5 und 6) und bringt ihre energiewirtschaftliche Expertise in AP8 ein.
FfE-Inhalte im Projekt
- Use-Case-Entwicklung
- Ermittlung des Flexibilitätspotenzials aus Wärme- und Kälteanlagen
- Ermittlung und energiewirtschaftliche Bewertung der resultierenden Netzbelastung durch verschiedene Betriebsweisen von Wärme- und Kälteanlagen für verschiedene Netztypen in der Niederspannung
- Begleitung der Labor- und Feldversuche als neutraler wissenschaftlicher Partner, sowie Ergebnissynthese und Kommunikation der Ergebnisse an relevante Gremien
Methodik
Die FfE wird die Use-Case-Entwicklung im Projekt leiten. Dabei wird die Use-Case-Methodik der FfE eingesetzt und weiterentwickelt. Sie beginnt auf der Ebene der Business Use Cases, in denen initiale Ideen in ein Grobkonzept überführt werden, das unter anderem die Rollen, Verantwortlichkeiten und Beziehungen unter den beteiligten Akteuren definiert. Darauf aufbauend werden Technical Use Cases entwickelt, in denen der Fokus auf die technischen Komponenten und ihre Funktionen gerichtet ist. Schließlich werden die Use Cases in ein übergeordnetes Konzept überführt, das als Grundlage für die erfolgreiche Umsetzung im Reallabor dient.
Außerdem entwickelt die FfE ein Modell zur Abbildung des thermischen Flexibilitätspotenzials und der Ableitung des elektrischen Flexibilitätspotenzials für verschiedene Anwendungen – inklusive einer Systematik, um verschiedene Gebäudetypen und -eigenschaften im Modell abzubilden. Darauf aufbauend wird das regionale Flexibilitätspotenzial aus Wärmepumpen ermittelt.
Indem die Flexibilitätspotenziale in das Verteilnetzmodell GridSim integriert werden, werden die resultierende Netzbelastung durch Wärme- und Kälteanlagen sowie die Auswirkungen verschiedener Betriebsstrategien der Anlagen auf Netzausbaubedarfe ermittelt. Die Ergebnisse werden schließlich energiewirtschaftlich eingeordnet, bewertet und es werden Forecast-Methoden für die Netzbelastung durch elektrische Wärme- und Kälteanlagen ermittelt.
Förderung
Das Forschungsprojekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert (Förderkennzeichen: 03EI4078C).
Weitere Informationen: