Die Anforderungen an Regel- und Reserverleistung sowie die Netz-Kontrollmechansimen in der Stromerzeugung erreichen eine zunehmend komplexeren Grad mit der Integration dargebotsabhängiger erneuerbarer Energien.
Netzregelung und Lastmanagement als ein alternativer Ansatz ist eine zusätzliche Möglichkeit zur Versorgung mit- und Einsparung von konventioneller Regel- und Reserveleistung.
Der international anerkannte Begriff für diese Maßnahmen der Lastverschiebung wird mit dem Begriff "Demand Side Mäanagement" (DSM) bezeichnet. DSM in zeitlicher und örtlicher Verteilung enthält zukunftsweisende Perspektiven welche Gegenstand zusätzlicher Forschungsthemen sind.
Die Arbeit zeigt Charakteristika und Grenzen von DSM mit Haushalts Kühl- und Gefriergeräten auf. Hierbei wird eine Simulationplattform verwendet, welche das aggregierte Lastprofil von 1-10 Mill. Geräten unter Variation der technischen Einflussparameter ermittelt. Die statistischen Verteilungen der Geräteparameter wie auch das Einflussverhalten der Benutzers wird bei der Simulation berücksichtigt.
In verschiedenen Szenarien werden die Möglichkeiten und Grenzen zum Anbieten von Regel- und Reserveleistung analysiert und Praktikabilität diskutiert.
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Simulation of Demand Side Management with domestic cooling appliances
The requirements on balancing power and the controllability of power generation reaches a higher grade of complexity with the integration weather-dependent renewables.
Regulation and shifting of the load as an alternative approach is an additional solution for supply and saving conventional balancing power.
The international accepted term for these measures in load shifting is Demand Side Managment (DSM). DSM in time and location contains forward looking perspectives requireing more detailed investigations and research.
The presentation shows characteristics and limits of DSM with domestic cooling appliances using a simulation platform. The platform computes and visualizes the aggregated load profile of 1-10 Million compressor cooling devices. The statistic distribution of device parameters as well as the influence of the user is considered by the simulation.
In several controlling scenarios prospects and limits in providing balancing power will be analysed and discussed regarding their feasibility.
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Dipl. Ing. C. Grau
Paderborn, 22.08.2011
Lehrstuhl für Nachhaltige Energiekonzepte (NEK), Prof. Dr.Ing. Stefan Krauter
Universität Paderborn
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1 Motivation und Problemstellung
1.2 Ziele der Arbeit
1.3 Aufbau der Arbeit
2. Vorüberlegungen
2.1 Energiebedarfsstruktur der Haushalte in der BRD
2.2 Top-Down- versus Bottom-Up-Modell
2.3 Einflussfaktoren auf elektrischen Energiebedarf und Nutzung
3. Regelung elektrischer Netze
3.1 Ursachen für Regelleistungseinsatz
3.2 Primärregelleistung, passiver Selbstregeleffekt
3.3 Sekundärregelleistung
3.4 Minutenreserve/ Tertiärregelleistung
3.5 Dauerreserveleistung, Stundenreserveleistung, EEG-Reserveleistung
3.6 Regelleistungsmarkt- und Bilanzausgleich
3.7 Technische Präqualifikation und Rahmenvertrag für Regelleistung
4. Demand Side Management
4.1 Demand Side Management – Definition und Begriffsdifferenzierung
4.1.1 Definition: Demand Side Management
4.1.2 Definition: Demand Response
4.1.3 Definition: Demand Side Bidding
4.1.4 Begriffsdifferenzierung DSM
4.2 Einsatzstrategien und Ziele von DSM
4.3 Smartmetering, Smartgrids & Home-Automation
4.3.1 DSM, Smartmeter und Verbraucherinteressen
4.4 Optimale Marktposition für einen DSM Anbieter
4.5 Rentabilität von DSM mit Haushaltsgeräten
4.6 Interessenkonflikte zwischen externen DSM Anbietern und Bilanzkreisen
4.7 Interaktion zwischen Benutzer und DSM-Anbieter: DSM Interface
4.8 Simulatoren für DSM
4.9 DSM Kommunikationsstrukturen
4.9.1 Kommunikationslösungen für DSM in der Praxis
4.9.2 Rundsendung / Broadcast-Message
4.9.3 Übertragungsbandbreiten für DSM
5. Simulationsmodell für Kühl- und Gefriergeräte
5.1 Funktionsprinzip Kühlgeräte
5.1.1 Definition von Geräteklassen
5.2 Temperaturen – Messpunkte, Klimaklasse
5.2.1 Temperaturen – Haltbarkeit von Lebensmitteln
5.3 Thermodynamisches Modell für Kompressoren-Kühlgeräte
5.4 Verifikation des thermodynamischen Modells
5.5 Einflussfaktoren auf Kompressorlauf- und Standzeiten
5.5.1 Umgebungstemperatur/ Gerätestandort
5.5.2 Geräteisolation
5.5.3 Gerätemaße
5.5.4 Hysterese
5.5.5 Beladungsgrad mit Kühlgut
5.5.6 Türöffnungen und Neubeladung
5.5.7 Kompressor Mindestein- und Ausschaltzeiten
5.5.8 Kompressorleistung und Leistungszahl
5.6 Gerätebestand in der BRD
6. Gesamtmodell für eine Simulationsplattform
6.1 Aufgaben der Simulationsplattform
6.2 Nutzungshäufigkeit und Lastprofile
6.3 Implementation der Simulationsplattform
6.3.1 Programmklassen
6.3.2 Klassendiagramm
7. Szenarien und Ergebnisse
7.1 Szenario A1: Vollständige Schaltung von 100000 Kühlschränken
7.2 Transiente Schaltenergie
7.3 Pool-Schaltstrategien und Systemverhalten
7.4 Szenario A2: Schrittweises Schalten von 100000 Kühlschränken
7.5 Quasistationäres Lastniveau
7.6 Szenarien für Gefriergeräte
8. Zusammenfassung und Ausblicke
9. Literaturverzeichnis
Anhang A
A.1 Verifikation des thermodynamischen Modells für Kompressionskühlgeräte
A.1.1 Thermodynamisches Modell - Verifikation Gefriertruhe
A.1.2 Simulation
A.1.3 Thermodynamisches Modell - Verifikation Kühlschrank
A.1.4 Simulation
A.2 Simulationsbeladungen
Anhang B
B.1 Verteilung der Umgebungstemperatur von Kühl- und Gefriergeräten
B2. Häufigkeitsverteilung: Personen pro Haushalt mit Kühl- und Gefriergeräten BRD
B.3 Kühl- und Gefriergeräte: Maße und Volumen
B.4 Regel- und Reserveleistung – Übersicht technische und wirtschaftliche Parameter
Anhang C
C.1 Prototypen in DSMSIM nach Gerätekategorie, Verteilungen der Geräteparameter
C.1.1 Prototypen Kühlschrank
C.1.2 Prototypen Gefrierschrank
C.2 Histogramm des Regelleistungseinsatz in der EON / Tennet Regelzone
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die Potenziale und technischen Restriktionen von Demand Side Management (DSM) bei Haushaltsgeräten, insbesondere bei Kühl- und Gefriergeräten, um diese für die Bereitstellung von Regelleistung im deutschen Stromnetz zu nutzen. Ziel ist die Entwicklung einer Simulationsplattform, die realitätsnahe Lastprofile unter Berücksichtigung verschiedener Einflussfaktoren und Benutzerbedürfnisse analysiert.
- Entwicklung eines thermodynamischen Modells für Kühl- und Gefriergeräte
- Aufbau einer modular erweiterbaren Simulationsplattform (DSMSIM)
- Analyse von DSM-Einsatzstrategien und deren Auswirkungen auf das Lastprofil
- Bewertung der technischen Umsetzbarkeit von Regelleistungsangeboten durch Haushaltslasten
- Diskussion sozio-ökonomischer Faktoren und technischer Kommunikationsstrukturen
Auszug aus dem Buch
5.5.1 Umgebungstemperatur/ Gerätestandort
Ein Kühlgerät kann rein technisch als eine inverse Wärmepumpe bezeichnet werden, welche die Wärmeenergie durch mechanische Arbeit an die Umgebung befördert. Steigt das Energieniveau der Umgebung (=Außentemperatur), so sinkt die Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Umgebung, während die Temperaturdifferenz zwischen Kühlraum und Umgebung steigt.
Die Folge ist, dass der Konvektionsstrom am Verflüssiger sich verringert und der Konvektionsstrom in den Kühlraum steigt. Der verringerte Konvektionsstrom am Verflüssiger wird in FridgeSIM nicht berücksichtigt, da das Verhalten des Kompressors vereinfacht durch einen konstanten Wärmestrom im Innenraum des Gerätes simuliert wird.
Die Simulationsparameter werden wie in Anhang A – „Simulationsmodell - Verifikation Kühlschrank“ angesetzt. Die Simulationsparameter gelten für alle weiteren Erklärungen und Betrachtungen in den folgenden Abschnitten, soweit nicht explizit eine Parametervariation angegeben ist. Türöffnungen und Neubeladungen werden bei den folgenden Betrachtungen nicht berücksichtigt. Da Türöffnungen und Neubeladungen ca. 20% der Wärmeverluste ausmachen, müssen die Ergebnisse als „Best-case“ betrachtet werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Motivation, Zielsetzung und Aufbau der Arbeit, wobei der Fokus auf dem Potenzial von DSM mit Haushaltsgeräten liegt.
2. Vorüberlegungen: Analyse der Energiebedarfsstruktur deutscher Haushalte und Diskussion von Bottom-Up vs. Top-Down Modellen.
3. Regelung elektrischer Netze: Grundlagen zu Regel- und Reserveleistungen sowie deren wirtschaftliche Bedeutung und technische Anforderungen.
4. Demand Side Management: Definitionen, Einsatzstrategien, Anforderungen an die Kommunikationsinfrastruktur (Smart Meter) und Diskussion der Rentabilität.
5. Simulationsmodell für Kühl- und Gefriergeräte: Detaillierte Herleitung eines thermodynamischen Modells und Analyse der relevanten Einflussfaktoren für Kompressor-Laufzeiten.
6. Gesamtmodell für eine Simulationsplattform: Architektur der Simulationssoftware "DSMSIM", Programmklassen und Spezifikation der Lastsynthese.
7. Szenarien und Ergebnisse: Präsentation der Simulationsszenarien, Diskussion des Schaltverhaltens von Kühlschränken und Gefriergeräten sowie deren Eignung als Regelleistungsanbieter.
8. Zusammenfassung und Ausblicke: Fazit der Ergebnisse und Ausblick auf zukünftige Anforderungen an DSM-Systeme.
Schlüsselwörter
Demand Side Management, DSM, Regelleistung, Reserveleistung, Simulationsplattform, Lastprofil, Kühlgeräte, Gefriergeräte, Smartmeter, Smart Grid, Energieeffizienz, Lastmanagement, Haushaltsgeräte, Netzstabilität, Strommarkt.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der technischen Entwicklung einer Simulationsplattform, um das Potenzial von Kühl- und Gefriergeräten im Haushalt für ein aktives Demand Side Management (DSM) zu bewerten.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Regelung elektrischer Netze, die Modellierung thermodynamischer Prozesse von Kühlgeräten und die Entwicklung von DSM-Strategien zur Lastverschiebung.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist es, Eigenschaften, Fähigkeiten und Grenzen von DSM mit Haushaltsgeräten aufzuzeigen und zu prüfen, inwieweit diese zur Bereitstellung von Regel- und Reserveleistung genutzt werden können, ohne den Nutzerkomfort zu beeinträchtigen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird ein Bottom-Up-Simulationsansatz verwendet, der mittels der entwickelten Software "DSMSIM" das thermische und elektrische Verhalten einer großen Anzahl von Einzelgeräten modelliert und aggregiert.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die theoretischen Grundlagen der Netzregelung, die Definitionen von DSM, die detaillierte physikalische Modellierung von Kühlgeräten sowie die Implementierung der Simulationsplattform und die Auswertung konkreter Lastszenarien.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Demand Side Management, DSM, Regelleistung, Simulationsplattform, Lastprofil, Kühlgeräte, Smartmeter.
Warum ist eine "Bottom-Up"-Simulation für diese Arbeit notwendig?
Da Regelleistung eine zeitgenaue Betrachtung im Sekunden- bis Minutenbereich erfordert, reicht ein vereinfachtes "Top-Down"-Modell nicht aus. Nur durch eine "Bottom-Up"-Simulation lässt sich die Streuung der Geräteparameter und das transiente Verhalten korrekt erfassen.
Welchen Einfluss hat die Isolation auf die Eignung eines Gerätes für DSM?
Eine bessere Isolation verlängert die Standzeiten des Kompressors, was das Zeitfenster für eine mögliche Lastverschiebung (Lastmanagement) vergrößert, aber auch das transiente Verhalten des Gesamtsystems beeinflusst.
Warum ist das "Nachschwingen" des Gerätepools ein Problem?
Beim synchronen Schalten sehr vieler Geräte entstehen Lastspitzen und nachfolgende Schwingungen, die die Netzstabilität gefährden können. Die Arbeit zeigt, dass zeitlich verzögertes Schalten oder eine Pool-Aufteilung in aktive Geräte und Ersatzgeräte dieses Problem lösen kann.
- Quote paper
- Christian Grau (Author), 2011, Entwicklung einer Simulationsplattform für Demand Side Management Systeme, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/189692
