Flexibilität durch Wärmepumpenintegration – Analyse eines virtuellen Batteriekonzepts für eine Papierfabrik

Das Verständnis und die Forderung nach Flexibilität der Energiebereitstellung und dem -verbrauch industrieller Produktionssysteme haben sich in den letzten Jahren verändert. Die Entwicklung führte von einem Wunsch nach Flexibilität als zusätzliche, vorteilhafte Eigenschaft hin zu einem Bedarf an Flexibilität als Schlüsselkriterium für einen erfolgreichen Geschäftsbetrieb [1]. Gleichzeitig sind sowohl Möglichkeit als auch Gründe industrielle Flexibilität zu nutzen und zu valorisieren zahlreich. Möglichkeiten bieten u.a. Anlagen mit großem Betriebsbereich und hoher Lastwechselfähigkeit, Energieträgerwechsel durch Substitution der verwendeten Energieumwandlungsanlage, zeitliche Verschiebung von Produktion oder Energieerzeugung/-bezug in Kombination mit Energiespeichern. Gründe für die Bereitstellung industrieller Flexibilität können u.a. folgende sein: schnell wechselnde Anforderungen von Kundenseite bezüglich Produkttyp oder -menge, fluktuierende Verfügbarkeit und Preise von unterschiedlichen Energieträgern, große schwer prognostizierbare Schwankungen im Energiebedarf des Produktionsprozesses oder auch monetäre Anreize für die Bereitstellung von Services für elektrische Netze Zur Analyse von verschiedenen Flexibilitätsoptionen, die u.a. von Pierri et al. [2] analysiert wurden unter veränderbaren Rahmenbedingungen wurde im Zuge des Projekts BAMBOO ein Modell einer Papierfabrik als „Virtuelle Batterie“ erstellt. Dabei werden folgende Konzepte verglichen und in einem mathematischen Optimierungsmodell abgebildet: das Zusammenspiel von betrieblichen Flexibilitäten (angepasster Betrieb von Produktionsanlagen sowie bestehende Erzeugungsanlagen) sowie die Möglichkeiten durch Investitionen in neue, flexible Energieversorgungsanlagen, wie industrielle, dampferzeugende Wärmepumpen, Elektroboiler und Energiespeicher. In diesem Beitrag werden vor allem die Implikationen der Integration von dampferzeugenden, industriellen Wärmepumpen in die „Virtuelle Batterie“ analysiert. Es werden zum einen die betrieblichen Möglichkeiten und Vorteile, wie Kostenreduktion oder Reduktion des CO2-Fußabdrucks durch die Nutzung der Flexibilität der „Virtuellen Batterie“ hinsichtlich der Integration von Wärmepumpen analysiert. Darüber hinaus wird untersucht welche unterstützenden Maßnahmen Wärmepumpen in einer solche Virtuellen Batterie beispielsweise für lokale Verteilnetze bereitstellen kann. Dazu werden die Bezugsmöglichkeiten von Strom aus Photovoltaikanlagen im Zuge von Power-Purchase-Agreements unter verschiedenen regulatorischen Rahmenbedingungen, sowie mit und ohne Wärmepumpenintegration analysiert und verglichen. [1] Golden, William; Powell, Philip (2000): Towards a definition of flexibility: in search of the Holy Grail? In: Omega 28 (4), S. 373–384. DOI: 10.1016/S0305-0483(99)00057-2. [2] Pierri E., Hellkamp D., Thiede S. and Herrmann C. (2021) Enhancing Energy Flexibility through the Integration of Variable Renewable Energy in the Process Industry, Procedia CIRP, volume 98, pp- 7-12, https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.12.001.