Optimierung der Netzrückwirkungen dezentraler Power-to-Heat-Anlagen im Niederspannungsnetz

Vortrag und Tagungsbeitrag von Britta Kleinertz, Florian Samweber, Mathias Müller, Marc Gallet im Rahmen der Konferenz "Diskussionsplattform Power-to-Heat " am 15. und 16. Mai 2017 in Berlin

Vorgetragen am 31.01.2017

Bei hoher Durchdringung der Niederspannungsnetze mit Power-to-Heat-Anlagen (Wärmepumpen, elektrische Speicherheizungen), können in diesen Verletzungen der unteren Spannungbandgrenze auftreten. Andererseits könnten die Anlagen zu Zeiten hoher Photovoltaik-Einspeisung zur Spannungshaltung beitragen. Innovative Ladesteuerungen sollen helfen, diese Netzrückwirkungen zu optimieren. Entgegen der aktuell verwendeten wärme- bzw. nachttarifgeführten Fahrweise, werden im Projekt MONA 2030 mittagstarif-, eigenverbrauchs- und spannungsgeführte Ladesteuerung simulativ mit dem Netzsimulationstool GridSim untersucht. Dabei werden kritische Steuerungsparameter für jede Ladesteuerung bestimmt und Werte hierfür verglichen.

Die mögliche Optimierung der Netzrückwirkungen der elektrischen Wärmeerzeugung ist sowohl vom Füllstand des Wärmespeichers zu kritischen Zeitpunkten als auch von der Ladesteuerung abhängig. Daher werden im Folgenden zunächst die relevanten Speicherfüllstände erläutert. Anschließend wird auf die Referenzfahrweise und die innovativen Ladesteuerungen eingegangen. Während in GridSim sowohl elektrische Speicherheizungen (häufig als "Nachtspeicherheizungen" bekannt) als auch Wärmepumpen simuliert werden können, wird hier nur auf die Simulationsergebnisse mit Wärmepumpen eingegangen.

 

Definition relevanter Speicherfüllstände

Um die Flexibilität der Wärmespeicher vollständig zu nutzen, sind drei Ziel-Füllzustände definiert. Namentlich ein minimaler, ein minimaler mit Puffer und ein maximaler Speicherfüllstand. Zwischen diesen variiert der Speicherfüllstand je nach äußeren Bedingungen. Es wird von einem ideal geschichteten Kombispeicher mit Hygienewendel für die Trinkwarmwasser-Bereitstellung ausgegangen. In den Formeln bezieht sich VSpeicher auf das Volumen des Kombispeichers, Cp,Wasser ist die spezfische Wärmekapazität von Wasser.

Beim minimalen Speicherfüllstand (QSpeicher,min) ist im oberen Teil des Kombispeichers die zur Trinkwarmwasser-Erwärmung notwendige Temperatur TTWW,min gewährleistet. Im unteren Teil liegt die Rücklauftemperatur (TRücklauf⁡ ) des Heizsystems vor (siehe Abbildung 1).

 

Speicherfüll

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Temperaturschichtung im Kombispeicher abhängig vom Speicherfüllstand

Damit ergibt sich der minimale Speicherfüllstand aus Formel 1. Mindestens dieser Speicherfüllstand muss immer gewährleistet sein, um eine Wärmebereitstellung zu ermöglichen.

Formel 1Formel 1

Um bei niedrigen Spannungen das Abschalten der Wärmepumpe zu ermöglichen, ist der minimale Speicherfüllstand mit Puffer definiert. Der Puffer ist der Wärmebedarf der kommenden zwei Stunden und ist somit analog zu den Anforderungen für unterbrechbare Verbrauchseinheiten in der Niederspannung definiert.

Der maximale Speicherfüllstand beschreibt den Zustand, in welchem im gesamten Speicher die Maximaltemperatur erreicht ist. Um thermische Verluste zu vermindern, kann dieser Füllstand mit Hilfe der maximalen Vorhaltedauer limitiert werden. Hier wird diese auf 72 Stunden festgelegt, sodass im Speicher nie mehr Wärmeenergie gespeichert werden darf, als in den folgenden 72 Stunden verbraucht wird (ideale Prognose).

 

Betrachtete Ladesteuerungen

Als Referenz wird hier die derzeit in der Praxis dominierende wärmegeführte Fahrweise gewählt. Sobald der Speicher am Ende des aktuellen Zeitschrittes seinen minimalen Speicherzustand mit Puffer unterschreiten würde, schaltet die Wärmepumpe für den laufenden Zeitschritt zu. Kann die Wärmepumpe auf Grund hoher Wärmelastspitzen diesen Speicherzustand mit Puffer nicht halten, wird der Puffer aufgebraucht. Wird der minimale Speicherzustand (ohne Puffer) trotz der zugeschalteten Wärmepumpe unterschritten, schaltet zusätzlich ein Heizstab zu. Da die Wärmebereitstellung in jedem Fall gewährleistet sein muss, ist diese Fahrweise als grundlegender Baustein in allen Ladesteuerungen enthalten.

Angelehnt an den aktuell für elektrische Speicherheizungen verwendeten Nachttarif, mit einem verminderten Strompreis zwischen 22 und 6 Uhr, ist zukünftig die Verwendung eines Mittagstarifs denkbar. In diesem Fall laden alle Wärmepumpen ihren Speicher überwiegend im Zeitraum zwischen 11 und 16 Uhr bzw. 12 und 16 Uhr. Motivation dieser Steuerung ist es, Photovoltaik-Einspeisung im Netzgebiet für die Wärmeerzeugung zu nutzen und damit Netzrückwirkungen zu reduzieren.

Ziel der eigenverbrauchsoptimierten Ladesteuerung ist es, einen möglichst hohen Anteil des selbst erzeugten Stromes zu nutzen. Sofern freie Speicherkapazität vorhanden ist und am Netzanschlusspunkt eine negative Residuallast vorliegt, d. h. die Einspeiseleistung der Erzeugungsanlage (z. B. Photovoltaik) höher ist als die im Gebäude verbrauchte elektrische Leistung, wird der Speicher durch die Wärmepumpe geladen. Die minimale negative Residuallast (PResidual,min) muss erreicht oder unterschritten werden, damit die Wärmepumpe zuschaltet. Sie wird nach Formel 2 für jedes Gebäude in Abhängigkeit von der Anschlussleistung der Wärmepumpe (PWP,max) und dem Minimallastfaktor z definiert. Verschiedene Werte für diesen Faktor (zwischen 0 und 1) werden im Rahmen der Untersuchung betrachtet.

Formel 2

Formel 2

Ist die negative Residuallast am Netzanschlusspunkt niedriger als PResidual,min, laden drehzahlgeregelte Wärmepumpen entsprechend des Betrages der Residuallast. Hierbei ist die Leistung der Wärmepumpe eingeschränkt durch ihre Minimal- und Maximalleistung.

Die spannungsgeführte Ladesteuerung ermöglicht netzorientiertes Laden der Speicher, abhängig von der Spannung am Netzanschlusspunkt und seinem Speicherfüllstand zum jeweiligen Zeitpunkt. Hierfür sind die im Folgenden erläuterten vier Spannungsgrenzen festgelegt, für welche im Rahmen der Untersuchung eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt wird. In Abbildung 2 ist die zugeschaltete Leistung, abhängig von der Spannung am Netzanschlusspunkt und dem Füllstand des thermischen Speichers dargestellt.

Spannung

Abbildung 2: Zulässiger Leistungsbereich bei spannungsgeführter Ladesteuerung in Abhängigkeit der Spannung am Netzanschlusspunkt und dem Speicherfüllstand des thermischen Speichers

  • Maximale Spannung (z.B. 1,10 pu): Diese Grenze Umax liegt nahe einer oberen Spannungsbandverletzung. Wird die Grenze am Netzanschlusspunkt überschritten und es ist noch freie Speicherkapazität im Wärmespeicher vorhanden schaltet die Wärmepumpe mit Volllast zu.

  • Maximale Spannung mit Puffer (z.B. 1,08 pu): Diese Grenze liegt unterhalb der maximalen Spannung. Sobald der Wert überschritten wird, schalten die Wärmepumpen mit verminderter Leistung zu, sofern noch freie Speicherkapazität im Wärmespeicher vorhanden ist. Die Leistung wird gemäß Formel 3 berechnet. Der Quotient aus aktueller Spannung (Uaktuell), maximaler Spannungsgrenze mit Puffer (Umax mit Puffer) und maximaler Spannung (Umax) ergibt einen Wert zwischen 0 und 1, der mit der flexibilisierbaren Leistung der (PWP,max abzüglich PWP,min) multipliziert und zur Minimalleistung addiert wird.

 

Formel 3

Formel 3

  • Minimale Spannung mit Puffer (z.B. 0,92 pu): Diese Grenze liegt etwas höher als die minimale Spannung. Bei Wärmebedarf schaltet die Wärmepumpe nur mit verminderter Leistung gemäß Formel 4 zu.

Formel 4

Formel 4

  • Minimale Spannung (z.B. 0,90 pu): Diese Spannungsgrenze liegt nahe einer unteren Spannungsbandverletzung. Bei Auftreten dieses Zustandes wird der Leistungsbezug der Wärmepumpe durch Entladen des Puffers im Wärmespeicher verhindert.

Sobald der minimale Speicherfüllstand am Ende des Zeitschrittes unterschritten würde, muss die Wärmepumpe immer den aktuellen Wärmebedarf decken, unabhängig von der aktuellen Spannung.

 

Sensitivität der einzelnen Ladesteuerungen bezüglich der Steuerungsparameter

Bei einem Anteil von 30 % Wärmepumpen, treten in beiden untersuchten Netzen durchschnittlich die im Folgenden genannten Effekte der Ladesteuerungen auf. Im Rahmen der Simulation werden die ersten 30 % der Wärmepumpen sanierten Gebäuden mit hoher Flexibilität des Speichers zugeordnet, dann unsanierten Gebäuden mit geringer Speicherflexibilität.

Im Vergleich zu nachttarif- und wärmegeführter Fahrweise zeigt sich, dass mittagstarifgeführte Ladesteuerungen im Untersuchungsfall Verletzungen des oberen Spannungsbandes um ca. 30 % senken. Mit einem Anteil an Wärmepumpen über 30 %, werden diese auch unsanierten Gebäuden zugeordnet. Auf Grund deren geringerer Speicherflexibilität, führt hier das spätere Zuschalten ab 12 Uhr zu einer stärkeren Reduzierung der Spannungsbandverletzungen (siehe Abbildung 3). Verletzungen des unteren Spannungsbandes nehmen durch die Einführung des Mittagstarifes leicht zu.

TarifgeführtAbbildung 3: Summierte Dauer oberer Spannungsbandverletzungen abhängig vom Tarif und Durchdringung des Netzes mit Wärmepumpen


Schalten die Anlagen eigenverbrauchsgeführt, ist die Netzoptimierung davon abhängig, ab welcher Höhe der Photovoltaik-Netzeinspeisung sie anschalten. Laden sie bereits mit Beginn einer Netzeinspeisung am eigenen Netzanschlusspunkt, also bei einem Minimallastfaktor von 0, sinkt die Anzahl oberer Spannungsbandverletzungen um 9 %. Schalten sie erst, wenn die negative Residuallast am Netzanschlusspunkt mindestens 70 % der angeschlossenen Power-to-Heat-Leistung erreicht, werden obere Bandverletzungen um 15 % reduziert (siehe Abbildung 4).

Residuallastgeführt

Abbildung 4: Summierte Dauer oberer Spannungsbandverletzungen abhängig von gewähltem Minimallastfaktor und Durchdringung im Extremnetz

Bei spannungsgeführter Ladesteuerung ist die Festlegung der Spannungsgrenzwerte, ab welchen die Anlagen an- bzw. ausschalten essenziell. Wird der Grenzwert, bei dem die Anlagen zuschalten, zu niedrig angesetzt, hier 1,04 pu, werden obere Spannungsbandverletzungen um 22 % reduziert, bei 1,07 pu hingegen um 30 % (siehe Abbildung 5).

Wird die Abschaltgrenze in belasteten Netzen mit 100 % Wärmepumpen zu hoch angesetzt, hier bei 0,95 pu, steigt die Anzahl der unteren Spannungsbandverletzungen im Gegensatz zur wärmegeführten Fahrweise um bis zu 20 %. Bei einem Grenzwert von 0,92 pu hingegen sinken sie um 70 %.

Spannungsgeführt

Abbildung 5: Summierte Dauer oberer Spannungsbandverletzungen abhängig von gewählten Spannungsgrenzwerten (in pu) und Durchdringung

 

Vergleich der Ladesteuerungen

Bei allen Ladesteuerungen ist ein starker Abfall der Dauer oberer Spannungsbandver-letzungen ab einem Anteil von 40 % Wärmepumpe ersichtlich.
Bezüglich des Ziels der Spannungshaltung, erzielt die spannungsgeführte Ladesteuerung die besten Ergebnisse. Zum einen ist sie die einzige Ladesteuerung die bei kritisch niedrigen Spannungen eingreift. Zum anderen ist sie auch am besten geeignet, um zu hohe Spannungen zu verhindern (Abbildung 6). Das etwas schlechtere Abschneiden der eigenver-brauchsgeführtem Ladesteuerung, im Vergleich zu beiden anderen optimierenden Lade-steuerungen, ist vor allem damit zu begrüden, dass diese nur auf die Residuallast des eigenen Hausanschlusses regelt. Dadurch können kritische Zustände in benachbarten Anschlüssen nicht vermindert werden.

LS SteuerungsgrenzenAbbildung 6: Summierte Dauer oberer Spannungsbandverletzungen abhängig von der gewählten Ladesteuerung bei optimierten Steuerungsgrenzen

 

Fazit zu Sensitivitäten von Ladesteuerungen

Die Simulationsergebnisse machen deutlich, dass für jede netzoptimierende Ladesteuerung die Festlegung von Steuerungsgrenzen essenziell ist. Speziell bei stark limitierten Speicherkapazitäten und leistungsstarken Power-to-Heat-Anlagen sollten netzstützende Eingriffe möglichst spät ergriffen werden. Auch bei einer hohen Anzahl an Spannungsbandverletzungen sollten die Grenzwerte möglichst nah an der Spannungsbandverletzung gewählt werden. Dadurch werden kritische Zustände am zuverlässigsten verhindert. Werden Wärmepumpen in sanierten Gebäuden mit niedrigen Wärme-Spitzenlasten und hohen flexiblen Speicherkapazitäten intelligent angesteuert, ist der Effekt der Steuerungsgrenzen sehr viel geringer.

Über alle Ladesteuerungen hinweg lässt sich feststellen, dass die Auswirkungen der Wärmepumpen stark davon abhängig ist, an welcher Stelle sich diese im Netz befinden. Während bei gleichem Anteil und Steuerung der Wärmepumpen in einigen Verteilungen keine kritischen Spannungszustände auftreten, sind dies bei anderen Verteilungen mit gleicher Zusammensetzung der Komponenten mehrere Stunden im Jahr.
In weiteren Projekten wird ein ganzheitlicher Vergleich dezentraler Wärmepumpen zur Netzoptimierung mit thermischen Netzen und zentralen Power-to-Heat-Anlagen angestrebt.

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