Vergleich des synthetischen Referenzlastprofils nach VDI 4655 mit hochaufgelösten Messdaten eines modernen Hauses in Ulm

Transkript

1 Vergleich des synthetischen Referenzlastprofils nach VDI 4655 mit hochaufgelösten Messdaten eines modernen Hauses in Ulm Holger Ruf 1,4, Patrick Kober 3, Florian Meier 2, Maximilian Irlbeck 5, Gerd Heilscher 1 1 Hochschule Ulm, Eberhard Finckh-Str. 11, Ulm, ruf@hs-ulm.de, heilscher@hs-ulm.de 2 Stadtwerke Ulm/Neu-Ulm Netze GmbH, Karlstr. 1-3, Ulm, florian.meier@ulm-netze.de 3 Robert-Bosch-Schule Ulm, Egginger Weg 30, Ulm, patrick.kober@rbs-ulm.de 4 Universitetet I Agder, Jon Lilletuns Vei 9, NO-4876 Grimstad 5 Zentrum Digitalisierung.Bayern, Lichtenbergstr. 8, Garching, maximilian.irlbeck@zd-b.de 1. Einleitung Im Forschungsbereich wird derzeit die verstärkte Nutzung der überschüssigen Energie aus PV-Anlagen für Heizungszwecke und zur Erhöhung des Eigenverbrauchs untersucht. Darüber hinaus werden für die erfolgreiche Transformation der bisherigen Verteilnetze in aktive, intelligente Netze Lösungsansätze wie die Laststeuerung von Anlagen durch die Verteilnetzbetreiber diskutiert (Demand Site Management). Dabei bietet die Nutzung von PV-Strom für die Wärme- und Kältegewinnung viele Vorteile für alle Beteiligten. Die Berechnungen über den Wert von Solarstrom zur Wärmegewinnung werden derzeit vor allem nur auf Basis von statistischen Lastprofilen realisiert. Alternativ kommen die Referenzlastprofile der VDI 4655 [1] zum Einsatz. Diese Richtlinie von 2008 und bildet u.u. die neuste technische Entwicklung nur unvollständig ab. Um modern Technologien und ihre Netzrückwirkungen zu untersuchen wurde das Plusenergie Projekthaus Ulm für nachhaltige Energienutzung, ein seit Anfang 2014 bewohnter Einfamilienhausneubau, mit verschiedenster Messtechnik ausgestattet [2]. Das Projekthaus bietet die Chance, hochaufgelöste Verbrauchsdaten im Strom und Wärmebereich für verschiedenste Zwecke zu erheben. Im Projekthaus Ulm sind neben einer PV-Anlage mit einer Nennleistung von 9 kwp auch eine zweistufige Luftwärmepumpe mit Direktkondensation, eine Pelletheizung für den Bivalenzbetrieb sowie ein 4 kwh Batteriespeicher installiert. Darüber hinaus wurde in Kooperation mit der TU München, den Stadtwerken Ulm/Neu-Ulm Netze GmbH (SWU) und der Hochschule Ulm ein Datenerfassungssystem für elektrische und thermische Größen installiert (Abbildung 1). Aufgrund der Nutzung des Wohnhauses durch eine Familie lassen sich reale Daten hoher Qualität für verschiedenste Verbraucher und in hoher zeitlicher Auflösung erfassen und untersuchen. Solche Daten lassen sich z.b. für Optimierungsaufgaben der unterschiedlichen Stakeholder (Netzbetreiber, Bewohner) nutzen [3].

2 Abbildung 1: Schema der installierten Technologien im Projekthaus Ulm 2. Verfahren Die Berechnung der Referenztage nach der VDI 4655 wurde in Matlab abgebildet. Die VDI 4655 bildet den Verbrauch von einzelnen Gebäuden ab und unterteilt diesen in 10 verschiedene Referenztage. Meteorlogische Eingangsgrößen sind der tägliche Bedeckungsgrad und die mittlere Tagestemperatur. Tage mit einem Bedeckungsgrad < 5/8 gelten als heiter, ansonsten als bedeckt. Für die Unterscheidung in Sommer, Winter und Übergangszeit wird die mittlere Tagestemperatur genutzt. Bei Tagestemperaturen kleiner als 5 C wird der Tage dem Winter zugeordnet, bei Tagestemperaturen größer als 15 C dem Sommer, ansonsten der Übergangszeit. Abschließend wird noch nach Werktag und Sonn- bzw. Feiertagen unterschieden. Im Gegensatz zur Vorgabe der Richtlinie und um einen spezifischen Zeitraum abbilden zu können, wurden nicht die Tage des typischen meteorologischen Jahres genutzt, sondern die echten meteorlogischen Daten aus Ulm als Grundlage

3 verwendet. Diese meteorlogischen Daten basieren auf der lokalen Messung der Wetterstation des Deutschen Wetterdienstes (DWD) in Ulm und stehen als Teil der DWD-Grundversorgung im Climate Data Center zur freien Verfügung [4]. In diesen Daten sind die Temperatur und der Bedeckungsgrad enthalten. Die VDI Profile sind reine Verbraucherprofile, so dass die Erzeugung der PV-Anlage und der Eigenverbrauch berücksichtigt werden muss. Um die Erzeugung der PV- Anlage abzubilden, werden Einstrahlungs- und Temperaturdaten der hochschuleigenen Wetterstation für ein PV-Modell genutzt und vom Verbrauchsprofil abgezogen. Das PV-Modell wurde mit Hilfe der PVLib [5] ebenfalls in Matlab implementiert und erlaubt die Simulation der PV-Anlage in beliebiger Zeitauflösung. Die solare Einstrahlung wurde mittels eines Pyranometers gemessen und auf Minutenwerte gemittelt. Die berechnete Erzeugungs-Zeitreihe der PV-Anlage wurde vom VDI Profil abgezogen um eine Vergleichbarkeit mit der Messung am Hausanschlusspunkt zu ermöglichen. Die bezogenen und eingespeisten Energiemengen am Hausanschluss werden mittels eines Smart Meters in Minutenauflösung gemessen und sind seit dem 1. Juli 2014 verfügbar. Bei dem Smart Meter handelt es sich um einen ZMD310 von Landis & Gyr. Dieser Zähler entspricht der Messklasse B nach [6] und muss somit eine Messgenauigkeit von 2-3% einhalten. Jedoch ergaben Messungen in der Prüfeinrichtung der SWU, die als Prüfstelle Elektrizitätszähler und Zusatzeinrichtungen entsprechend den Anforderungen des Eichgesetzes und der Eichordnung entspricht, eine Abweichung von weniger als 0,5% und kann deshalb als Referenz angesehen werden. Die Messwerte sind mit dem Einfamilienhaus-Referenzlastprofil der VDI 4655 vergleichbar. Basierend auf den Messungen der Abrechnungszähler für den Untersuchungszeitraum vom bis zum wurde ein Bezug aus dem öffentlichen Netz von 6283 kwh ermittelt. 3. Ergebnisse Der Vergleich der beiden Profile wird mittels statistischen Kennzahlen durchgeführt. Durch die Länge der Messung lassen sich Schwankungen aufgrund des Jahresganges ebenfalls berücksichtigen. Um jedoch den Fehler durch die PV- Einstrahlung im Modell zu minimieren werden ausschließlich Bezugszeiträume miteinander verglichen. Die statistischen Kennzahlen beider Messreihen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Da beide Profile auf die gleiche Verbrauchsenergiemenge skaliert wurden, ist die mittlere Leistung für beide Profile 841 W. Die Spitzenleistung am Projekthaus ist mit etwa 9,9 kw deutlich höher als die 8,1 kw des VDI Profils. Dies konnte jedoch auf die

4 Überlagerung von verschiedenen Verbrauchern zeitgleich zum Betrieb der Wärmepumpe zurückgeführt werden. Die Standardabweichung ist mit 1101 W am Projekthaus um etwa 130 W höher als im VDI Profil. Dies wird auf die unterschiedliche Natur der Profile zurückgeführt und wird als nicht signifikant erachtet. Tabelle 1: Statistische Kennzahlen der Messung am Hausanschlusspunkt des Projekthauses im Vergleich zum Referenzprofil nach VDI 4655 Kennzahl Projekthaus VDI 4655 Profil Mittlere Leistung [W] Maximale Leistung [W] Standardabweichung [W] Korrelationskoeffizient 0,08 Median [W] Der Korrelationskoeffizient von 0,08 deutet jedoch darauf hin, dass beide Zeitreihen trotz identischer Verbrauchsenergiemenge und meteorologischer Eingangsparameter voneinander unabhängig sind. Dies lässt sich auf die unterschiedlichen Zeitpunkte des Verbrauchs zurückführen (Abbildung 2). Es ist kein linearer Zusammenhang zwischen Messung und Referenzprofil zu sehen. Die Spitzenwerte sind zwar ähnlich, jedoch treten sie zu anderen Zeiten auf. Abbildung 2: Streudiagramm für das VDI 4655 Profil und den Leistungsbezug am Hausanschluss. Häufige Werte sind rot, seltene Werte blau gekennzeichnet.

5 Der Vergleich der Verteilung beider Profile im Tagesgang ist in Abbildung 3 dargestellt. Aufgrund des Eigenverbrauchs und des Überschusses der PV-Anlage fällt der Median in beiden Profilen während des Tages auf null. Weiterhin sind deutlich die höheren Bezüge in den Morgen- und Abendstunden zu erkennen. Der Median des VDI Profils besitzt auch eine höhere Variabilität aufgrund der höheren Gleichzeitigkeit. Die Standardabweichungen liegen bei 0,30 kw für den Median des Projekthauses und bei 0,59 kw für das VDI Profil. Die Perzentile des VDI Profils zeigen deutlich eine höhere Gleichzeitigkeit und höhere Amplituden. Der Bezug des Projekthauses hingegen ist über den gesamten Tag verteilt. Dies liegt vor allem an der Wärmepumpe, die abhängig von Bedarf zu jeder Zeit in Betrieb gehen kann. Der Einbruch im Median des Projekthauses zwischen 17:00 und 18:00 Uhr UTC ist durch den zwischenzeitlich installierten Batteriespeicher verursacht. Dabei handelt es sich um die Entladung des Speichers der tagsüber durch den PV Überschuss geladen wurde. Abbildung 3: Verteilung der Bezugsleistung im Tagesgang. Die 5%- bis 95%- Perzentile sind rot schattiert, der Median ist als schwarze Linie dargestellt. Die Jahresdauerganglinie für den Untersuchungszeitraum ist in Abbildung 4 dargestellt. Tendenziell besteht eine große Ähnlichkeit zwischen beiden Dauerganglinien. Im hohen und niedrigen Leistungsbereich zeigt sich eine reduzierte Dauer der Messdaten im Vergleich zu dem VDI 4655 Referenzprofil. Jedoch gibt es auch einen erhöhte Nutzungsdauer im Leistungsbereich von etwa 3 kw. Dies ist auf die elektrische Wärmepumpe im Projekthaus zurückzuführen.

6 Abbildung 4: Jahresdauerganglinien für das VDI 4655 Profil und den Leistungsbezug am Hausanschluss 4. Zusammenfassung und Ausblick Im Rahmen dieser Arbeit wurden Messdaten des Bezugs des Projekthauses Ulm über einen Zeitraum von 10 Monaten mit den synthetischen Daten des Referenzlastprofils nach VDI 4655 verglichen. Beide Datensätze sind minutenaufgelöst und repräsentieren einen echten Jahreslastgang des Jahres Der Eigenanteil der PV-Anlagen-Erzeugung wurde mit Globalstrahlungswerten in Minutenauflösung simuliert und vom Referenzprofil der VDI 4655 abgezogen. Die Streuung im Jahresmittel ist vergleichbar, es zeigt sich jedoch eine deutlich erhöhte Gleichzeitigkeit des VDI 4655 Referenzprofils im Vergleich zu den Messdaten des Projekthauses. Der geringe Wert des Korrelationskoeffizienten zeigt jedoch, dass die Zeitreihen unabhängig voneinander sind und das Nutzerverhalten nicht korrekt wiedergespiegelt wird. Dies liegt insbesondere an den hohen Amplituden durch die Verbraucherschalthandlungen, welche überproportional in die Berechnung des Korrelationskoeffizienten eingehen. Aufgrund dieser ungenügenden Übereinstimmung der Zeitreihen ist die Repräsentativität des VDI 4655 Profils für ein einzelnes Gebäude über einen längeren Zeitraum fragwürdig und muss weiter untersucht werden. Dies war jedoch auch nicht die ursprüngliche Intention der VDI 4655.

7 Eine Abweichung durch die elektrische Heizungsanlage wird deutlich. Weitere Untersuchungen werden die beiden thermischen Verbrauchsprofile des VDI Verfahrens auch in einen elektrischen Verbrauch überführen und weitere Vergleiche ermöglichen. Weiterhin werden beide elektrische Verbrauchsprofile auch mit anderen gemessenen Profilen aus dem Netzgebiet der SWU [7] verglichen. 5. Hinweis Die Arbeiten zu dieser Veröffentlichung wurden durch Mitteln der Solarstiftung Ulm/Neu-Ulm im Rahmen des Projektes NETCHEK-PV gefördert. Weiter Informationen zum Projekt NETCHEK-PV und dem Projekthaus Ulm finden Sie unter 6. Quellen [1] Referenzlastprofile von Ein- und Mehrfamilien-häusern für den Einsatz von KWK-Anlagen, VDI 4655, [2] Plusenergie Projekthaus Ulm für nachhaltige Energienutzung: [3] M. Irlbeck und A. Thut, Smartes Heizen mit Solarstrom wie kann der Netzbetreiber profitieren?: Multikriterielle Optimierung mittels Modellierung Stakeholderspezifischer Ziele unter Einbeziehung von Szenarien, Constraints und Kostenfunktionen in einem Smart House, in 30. Symposium Photovoltaische Solarenergie. 4. bis 6. März 2015, Kloster Banz, Bad Staffelstein, Regensburg, [4] Deutscher Wetterdienst, Climate Data Center: [5] J. S. Stein, The photovoltaic Performance Modeling Collaborative (PVPMC), Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), th IEEE: Date, 3-8 June Piscataway, NJ, IEEE, pp [6] Deutsches Institut für Normung (2007) DIN EN : Wechselstrom- Elektrizitätszähler - Teil 3: Besondere Anforderungen - Elektronische Wirkverbrauchszähler der Genauigkeitsklassen A, B und C [7] G. Heilscher, M. Gmehlin, J. Conrad, and A. Ehm, Concept for Large-Scale- Deployment of Grid Connected PV in the Private Sector at the Edge of Grid Parity, in 25th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion: Proceedings : Feria Valencia Convention & Exhibition Centre Valencia, Spain Conference 6-10 Sept 2010, Exhibition 6-9 Sept 2010, [Munich, Germany]: WIP-Renewable Energies, 2010, pp