Forschungsprojekt C/Sells

Ausgangsidee

Aufbauend auf der C/sells-Leitidee sollten in den beiden Arbeitspaketen „Energieprozessmanagement im Quartier und Gebäudeverbund“ und „Lokale Energieausgleiche“ Werkzeuge, Betriebsstrategien und Regelungskonzepte für das spartenübergreifende Energiemanagement konzipiert und modelliert und das Flexibilitätspotenzial von Liegenschaften und Prosumenten bewertet werden.  

Als Demonstrationszelle wurde das Biomassezentrum (BMZ) Kirchhain-Stausebach mit einem in Planung befindlichen Nahwärmenetz ausgewählt. Das BMZ Stausebach sollte im Projekt zu einer Liegenschaft mit flexiblem Energiemanagement ausgebaut werden. Hierzu wurden die Anlagen der Liegenschaft energiemanagementseitig modelliert, Betriebsstrategien entwickelt und Flexibilitätspotenziale in den Sektoren Strom und Wärme bewertet (siehe auch (Huber, et al., HLUC 050E: Bereitstellung von Energie und Flexibilität einer Zelle, 2021).

Umsetzung

Für die Bestimmung der benötigten Wärmelastprofile der Liegenschaftsvorkommnisse erfolgte eine detaillierte Bestandsanalyse für Stausebach. Aufbauend auf dieser Analyse erfolgten Simulationsrechnungen zur Ermittlung von Wärmelastprofilen der verschiedene Gebäude- und Nutzungsarten der Liegenschaften bezugnehmend auf die Demonstrationszelle Stausebach. Weiterhin erfolgte neben der Bereitstellung der Wärmelastprofile für die Projektpartner die Betrachtung verschiedener Schemata für Wärmebereitstellungsanlagen (Wärmepumpensysteme), die sich in ihrer Systemkonfiguration unterscheiden. Die Schwerpunkte lagen dabei auf verschiedenen Versorgungsmöglichkeiten der Wohngebäude, die sich im Bereich der Speicher (Trinkwarmwasser- und Pufferspeicher), der Übergabesysteme (Heizkörper (Thermostatventile, Raumthermostat mit elektrischen Thermostatventilen), Flächenheizsystem) dargestellt wurden.

Zur Konzipierung von Betriebsstrategien wurde das BMZ Kirchhhain-Stausebach als energietechnisches Modell mit Energieerzeugungs- und Speicheranlagen sowie zu deckenden Wärmebedarfen und Einspeisung in das öffentliche Stromnetz abgebildet. Hierfür wurde die vom Fraunhofer IEE entwickelte Energiemanagement-Software microSCOPE verwendet. Mit ihr wurden die beiden Blöcke des hochflexiblen Blockheizkraftwerks (BHKWs) des BMZ, sowie dessen Biogaserzeugungsanlage, zusätzliche Heizkessel und Wärmespeicher modelliert. Außerdem wurden auch die beiden BHKWs der an das geplante Fernversorgungsnetz angeschlossenen Schulen miteinbezogen.  Unter der Randbedingung der Wärmebedarfsdeckung für das Fernwärmenetz wurde dieses System aus Energieanalagen unter verschiedenen Betriebsmodi wirtschaftlich evaluiert.

Ergebnis

Die ermittelten Wärmelastprofile dienten als Basis zur Betrachtung des Flexibilitätspotenzials verschiedener Liegenschaften und Konfigurationen von Wärmebereitstellungsanlagen. Es zeigte sich, dass die Ausprägung des Flexibilitätspotenzials stark von dem Gebäudetyp, Nutzungsart, Nutzerverhalten und der Konfiguration des Wärmebereitstellungssystems und des Übergabesystems abhängig ist. Bei der Betrachtung des Potenzials von Flexibilität im Wärmesektor (Endenergiebedarfsmengen) zur Glättung von Spannungsspitzen im Niederspannungsnetz wurde festgestellt, dass Gebäude mit einem guten Dämmstandard im Vergleich mit Gebäuden eines geringeren Dämmstandards bei gleichen Nutzerverhalten und Speichergrößen eher ein geringeres Potenzial aufweisen. Durch den Eingriff in die Steuerungsparameter, die z.B. für Luft-/Wasser Wärmepumpensysteme) einen wärmebedarfsgeführten Betrieb hin zu einem flexibilitätsgeführten Betrieb (ermöglichen könnte, stellten sich auch erhöhte Wärmeverluste bei den jeweils angesteuerten Bereichen (Speicher, Gebäudemasse) ein. Neben der Veränderung der Wärmeverluste - und damit den Endenergiemengen - zeigte sich, dass die Verfügbarkeit des Flexibilitätspotenzials durch die Speicherladezustände, das Nutzerverhalten und die Gebäudeeigenschaften variieren können. Im Bereich der Trinkwarmwasserspeicherbeladung, die abgesehen von Abwesenheitszeiten der Nutzer über das gesamte Jahr erfolgt, stellte die Beladung der Pufferspeicher eher eine jahreszeitabhängige Verfügbarkeit dar.  

Aus betriebswirtschaftlicher Perspektive ließ sich über die Modellierung mit der Energiemanagementsoftware microSCOPE für das BMZ Kirchhain-Stausebach ein deutlich positiver Effekt durch Flexibilisierung ableiten. Grundsätzlich ermöglicht ein durch den Wärmespeicher gepufferter wärmegeführter Betrieb der BHKWs des BMZ, die Zeiten großer Stromnachfrage bzw. niedrigen Stromangebots und infolge dessen höherer Strompreise an der Strombörse besser abzudecken. Selbst die Flexibilisierung der Biogasaufbereitungsanlage, die den Brennstoff für die BHKW-Blöcke des BMZ liefert, konnte im Modell mittelbar bereits zu einer Erlössteigerung um 2% führen, da sie einen flexibleren Einsatz der BHKWs zur Folge hat. Insbesondere konnte aus der Modellierung die Empfehlung abgeleitet werden, einen größeren als den zu Beginn geplanten Wärmespeicher für das BMZ Kirchhain-Stausebach zu installieren.