Analyse des Demand-Response-Potentials von urbanen Gebäuden am Beispiel eines Gebäudekomplexes mit Wohn-und Gewerbenutzung in der Smart-City-Aspern

Aufgrund der Tatsache, dass stets ein Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch im elektrischen Netz gewährleistet werden muss, wurde die Stromerzeugung bisher nach dem Verbrauch (der Nachfrage) geregelt. Anhand von Demand-Response Maßnahmen ergeben sich neue Möglichkeiten, sodass durch Berücksichtigung eines dynamischen Strompreises der Verbrauch (Demand) als Antwort (Response) auf Strompreisänderungen erfolgt. Anhand dieses Steuersignals kann der Strombedarf in systemgünstigen Phasen forciert und in systemungünstigen Phasen reduziert werden. Durch die Flexibilisierung des zuvor starren Stromverbrauches, können unter anderem volatile erneuerbare Energien verstärkt in das Netz integriert, die Aktivierung von Spitzenlastkraftwerken reduziert und die Infrastruktur besser ausgenutzt werden. Nach dem Verkehrssektor stellt in Österreich der Sektor - Raumheizung, Warmwasser und Klimaanlagen den höchsten energetischen Endverbrauch dar. Aufgrund der Wärmeversorgung mittels Wärmepumpen, elektrischer Speicherheizungen, Warmwasserboiler oder Klimaanlagen lässt sich eine Schnittstelle zwischen thermischer und elektrischer Energie erstellen. Durch die intelligente Steuerung von diesen Verbrauchern, kann Einfluss auf das elektrische Netz genommen sowie ein monetärer Nutzen lukriert werden. Ziel dieser Masterarbeit ist die dynamische Analyse der thermischen-elektrischen Schnittstelle des Wärmeversorgungssystems von urbanen Gebäuden mit Wohn- und Gewerbenutzung. Hierbei werden unterschiedliche Technologiekombinationen mit Wärmepumpen näher betrachtet. Die Lastverschiebung erfolgt hierbei durch die indirekte Einflussnahme mittels eines Preissignals, welches eine gezielte Raumtemperaturveränderung unter Einhaltung der Komfortanforderungen der unterschiedlichen Nutzungen sowie eine flexible Speicherbewirtschaftung bewirkt. Zur Analyse des Lastverschiebungspotentials wird ein realer urbaner Gebäudekomplex im Passivhausstandard mit Wohn- und Gewerbenutzung am Standort Wien mittels dem dynamischen Gebäude- und Anlagensimulationsprogrammes TRNSYS 17 simuliert. Die empirische Untersuchung des Lastverschiebungspotentials zeigt, dass die Aktivierung von Wärmepumpen in systemgünstigen Phasen forciert und in systemungünstigen Phasen reduziert werden kann. Das elektrische Lastverschiebungspotential beträgt in Abhängigkeit des Anlagendesigns zwischen 17,7 % und 25,7 % im Vergleich zum Normalverbrauch. In besonders systemungünstigen Phasen (höchsten 10 % des Strompreises im Jahr) konnte hierbei der Netz-Strombezug mehr als halbiert werden. Anhand dieser Lastverschiebung konnten die Strombezugskosten je bezogene kWh aus dem elektrischen Netz zwischen 25,4 % und 29,8 % reduziert werden. Mit dieser Lastverschiebung geht jedoch ein erhöhter Strombedarf aus dem elektrischen Netz von 6,5 % bis 17,1 % einher. Obwohl dieser erhöhte Strombedarf ausschließlich in systemgünstigen Phasen anfällt, relativiert sich das gesamte Kosteneinsparungspotential in Abhängigkeit des Anlagendesigns auf 15,3 % bis 23,3 %. 4 Überdies zeigen die Simulationsergebnisse, dass durch die Ergänzung der Wärmepumpenanlage mit Solarthermie- oder PV-Anlagen das Lastverschiebungspotential und deren monetären Nutzen erhöht werden kann. Ein besonders hohes Lastverschiebungspotential sowie Kosteneinsparungspotential weist hierbei die Technologiekombination Wärmepumpe, Photovoltaik und elektrischer Speicher aufgrund der Kombination von Eigenverbrauchsoptimierungs- und marktgeführten Lastverschiebungsregelstrategien auf. Außerdem zeigt die empirische Untersuchung, dass sich das Wärmeversorgungssystem von urbanen Wohn- und Gewerbegebäuden mit Wärmepumpen bzw. in Kombination mit anderen erneuerbaren Technologien für die elektrische Lastverschiebung eignet. Demand-Response Maßnahmen führen nicht zu einem effizienteren, energetischen Einsatz im Vergleich mit einer konventionellen Betriebsweise. Jedoch kann durch deren Einsatz ein Energiesystem mit einem günstigeren Verbraucherverhalten und somit ein ökonomischer Nutzen für die VerbraucherInnen geschaffen werden. In general, there is a balance between power generation and demand. Basically the demand is inflexible thus the power generation is controlled according to the demand. With demand-response measures it is possible to react flexible to the power demand with reference to energy prices. Due to this fact, it is possible to integrate more volatile renewable energy like photovoltaic or wind-power into the energy-system in order to reduce the run-time of peak load power plants and to reach a better utilization of the power grid. The heating demand sector (space heating, domestic hot water, air conditioning) is the second largest sector in energy consumption after the transportation sector in Austria. With heat pumps, water boiler or conditioners it is possible to create a connection between heat and power. So therefore, this Master thesis is about the demand response potential of the heating supply of urban buildings with residential and business utilization. Regarding this issue, the impact of demand-response measures with different heat pump energy systems is analysed in this thesis. The demand shift, which is initialised by a spot price signal, will be achieved by changing the room temperature and by optimizing the loading and unloading-strategy of the storages. The load-shift potential, will be analysed on the basis of a urban building in passiv house standard with residential and business utilization. This building is located in Vienna and will be simulated with the building and system simulation tool - TRNSYS 17. Due to these load-shift measures the simulation results show an electric load shift potential between 17,7 % and 25,7 %. The different results depend on the different components of the energy system. In very unfavourable phases of the system (highest 10 % of the spot price) the electricity demand could be more than halved. Based on this load shift the costs per kWh from the grid can be reduced between 25,4 % and 29,4 %. This cost reduction can not completely be calculated as a reduction of the total costs, because the demand-response measures are increasing the power demand from the grid between 6,5 % and 17,1 %. So therefore, the total cost reduction is between 15,3 % and 23,3 %. Moreover, the simulation results show that the load shift potential and their cost benefits are increasing by adding the heat pump system with solar thermal or PV systems. Thus the analysis shows that the best energy-system for load shifting is the technology combination of heat-pump, PV and electric storage. The high cost reduction potential of this technology combination is caused by the combination of self-consumption and market-load shifting control strategies. The master thesis shows that the heat supply system of urban residential and commercial buildings with heat pumps or in combination with other renewable technologies is suitable for a flexible handling of the power demand. Furthermore, the results of the simulations show that demand-response measures are not necessarily increasing the energy efficiency, but 6 these measures are changing the power consumption behaviour to a better consumption pattern of the energy system and create a benefit for the consumer.