BFE-Projekt OPTEG: Regelstrategien für die Optimierung des Eigenverbrauchs in Gebäuden

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1 BFE-Projekt OPTEG: Regelstrategien für die Optimierung des Eigenverbrauchs in Gebäuden Solarenergie und Wärmepumpen , Rapperswil Prof. Dr. David Zogg Institut für Automation Fachhochschule Nordwestschweiz

2 Betrachtete Komponenten Vorhandene Speicher verwenden Wärmepumpe im Fokus D. Zogg, FHNW

3 Technische Voraussetzung zum Eigenverbrauch Saldierender Zweirichtungszähler (Überschuss/Bezug) Quelle: Neue Energieverordnung (EnV) des Bundes, 1. April 2014 D. Zogg, FHNW 3

4 Preislicher Anreiz Situation ohne Eigenverbrauchsoptimierung Leistung Einspeisung Bezug 10 Rp/kWh 25 Rp/kWh Tagesverlauf D. Zogg, FHNW 4

5 Preislicher Anreiz Situation mit Eigenverbrauchsoptimierung Einsparung der Netzgebühren und Abgaben (Beispiel 15 Rp/kWh, mehr als die Hälfte!) Leistung Einspeisung 10 Rp/kWh 25 Rp/kWh Eigenverbrauch Tagesverlauf D. Zogg, FHNW 5

6 Lastverschiebung durch thermische Speicherung über Wärmepumpe Potential Speicherung in der Gebäudemasse: 0.5 MJ/m 2 K x 140 m 2 = 70 MJ/K = 19.4 kwh/k (SIA 380/1 Wärmekap. Massivbau) 20 kwh pro K Temperaturerhöhung ca. 60 kwh bei 3 K Temperaturhub Potential Speicherung in Pufferspeicher/Brauchwarmwasserspeicher: 300 Liter x 4.2 kj/liter x 30 K Temperaturerhöhung = 37.8 MJ = 10.5 kwh 500 Liter x 4.2 kj/liter x 30 K Temperaturerhöhung = 63.0 MJ = 17.5 kwh ca kwh pro Speicher Leistung Einspeisung gespeicherte thermische Energie Lastverschiebung Tagesverlauf D. Zogg, FHNW 6

7 Hydraulik und Regelung (Einfaches Beispiel mit Parallelspeicher) STASCH 6 D. Zogg, FHNW Komfortüberwachung ist dringend notwendig, um vollen Temperaturhub zu nutzen! PV = Photovoltaik WP = Wärmepumpe SP = Speicher WA = Wärmeabgabe BWW = Brauchwarmwasser

8 Hydraulik und Regelung (Beispiel fortgeschrittene Lösung) STASCH 6 Moderne Schnittstellen wie SG-Ready, MODBUS, etc. Forcierte Temperaturüberhöhung der Speicher Temperaturanhebung/absenkung nach Verbrauchergruppen D. Zogg, FHNW

9 Hydraulik und Regelung (Beispiel mit Seriespeicher) STASCH 4 Temperaturhub im Seriespeicher läuft mit Wärmeabgabe Regelungstechnisch weniger Freiheitsgrade D. Zogg, FHNW

10 Elektroinstallationen EFH zur Nachrüstung 10 Installationen bis Ende Jahr Haushaltgeräte Photovoltaikanlage = Visualisierung Zähler + Relais Zähler E-Mobil Wärmepumpe Brauchwarmwassererwärmer D. Zogg, FHNW geschaltete Verbraucher nicht geschaltete Verbraucher 10

11 Leistungsverläufe und Netzbelastung (typischer Tagesverlauf) Photovoltaik Brauchwarmwasser Wärmepumpe Grundlast Haushalt E-Mobil Bezugsspitze Einspeisespitze Tagesverlauf (Stunden) D. Zogg, FHNW 11

12 Eigenverbrauchsoptimierung über solaren Deckungsgrad Komfortvorgabe Adaptiver Schwellwert Deckungsgrad Deckungsgrad (%) Tagesverlauf (Stunden) D. Zogg, FHNW 12

13 Kostenoptimierung über variablen Preis lokale Strombörse Komfortvorgabe Adaptiver Schwellwert Preis «Kauflimite» Niedertarif Hochtarif variabler Preis «Börsenkurs» Anteil Produktion Tagesverlauf (Stunden) D. Zogg, FHNW 13

14 Definition Eigenverbrauchsquote und Autarkiegrad Eigenverbrauchsquote R eig = E E eig prod = E ges E E prod netz E ges E prod Autarkiegrad R aut = E E eig ges = E ges E E ges netz E netz E eig E eig E ges E netz E prod Eigenverbrauch (kwh) Gesamter Stromverbrauch (kwh) Netzbezug (kwh) Eigenstromproduktion (kwh) 14

15 Abgleich PolySun-Modell und IEA Task44 Beispiel: Sanierter Altbau Task44 PolySun SFH100 = 100 kwh/m 2 a 2x70m 2 15

16 Simulation mit PolySun Standard ohne Massnahmen 10. Februar BWW-Ladung nachts PV WP HH 8. März 5. Juni 13. Oktober SFH45 = 45 kwh/m 2 a, PV-Anlage 3.5 kwp, WP 2 kwel, Wetterdaten ZH, Quelle: A. Leuppi 16

17 Simulation mit PolySun Nachtabsenkung und Tagladung 10. Februar weniger Heizzyklen nachts BWW-Ladung tags PV WP HH 8. März 5. Juni 13. Oktober SFH45 = 45 kwh/m 2 a, PV-Anlage 3.5 kwp, WP 2 kwel, Wetterdaten ZH, Quelle: A. Leuppi Manuelle Optimierung für jedes Haus notwendig! 17

18 Simulation mit PolySun Regelungstechnisch optimiert (SGReady) 10. Februar Heizen und BWW automatisch auf Tag geschoben PV WP HH 8. März 5. Juni 13. Oktober SFH45 = 45 kwh/m 2 a, PV-Anlage 3.5 kwp, WP 2 kwel, Wetterdaten ZH, Quelle: A. Leuppi Automatische Optimierung (adaptiv)! 18

19 Eigenverbrauch, Autarkie und jährliche Energiekosten-Ersparnis für sanierten Altbau manuell automatisch z.t. Bezug im Hochtarif SFH100 = 100 kwh/m 2 a, PV-Anlage 15 kwp, WP 4 kwel, Tarif 25/17/7 Rp/kWh Nur Wärmepumpe und Brauchwarmwasser-Erwärmung, STASCH 6 19

20 Eigenverbrauch, Autarkie und jährliche Energiekosten-Ersparnis für Neubau heute manuell automatisch Autarkie SFH45 = 45 kwh/m 2 a, PV-Anlage 15 kwp, WP 2 kwel, Tarif 25/17/7 Rp/kWh Nur Wärmepumpe und Brauchwarmwasser-Erwärmung, STASCH 6 20

21 Eigenverbrauch, Autarkie und jährliche Energiekosten-Ersparnis für Minergie-P manuell automatisch Autarkie Kosten- Einsparung SFH15 = 15 kwh/m 2 a, PV-Anlage 15 kwp, WP 1 kwel, Tarif 25/17/7 Rp/kWh Nur Wärmepumpe und Brauchwarmwasser-Erwärmung, STASCH 6 21

22 Jahresarbeitszahl und Eigenverbrauch für verschiedene Gebäude und Regler SFH45 SFH15 SFH100 JAZ = Jahresarbeitszahl Wärmepumpe inkl. Brauchwarmwasser, 15 kwp PV-Anlage 22

23 Jahreskosten und Autarkie mit Tarif heute (2015) SFH100 SFH45 SFH15 Kosten = Bezug Einspeisung + Zählermiete, Tarif 25/17/7 Rp/kWh, 9 CHF/Monat 23

24 Jahreskosten und Autarkie mit Tarif Zukunft (2035) SFH100 SFH45 SFH15 Tarif 30/15 Rp/kWh, kein tiefer Nachttarif mehr 24

25 Schlussfolgerungen Wärmepumpen eignen sich optimal zur Steigerung des Eigenverbrauchs und Entlastung des Stromnetzes (Lastmanagement) Signifikante Erhöhung des Eigenverbrauchs und der Autarkie durch regelungstechnische Optimierung möglich Anreiz für Kostenoptimierungen bei tiefen Einspeisetarifen und hohen Netzbezugspreisen Maximaler Anreiz in Zukunft durch variable Stromtarife Abstimmung PV-Anlage zu WP, wenn möglich Aufpassen bei manuellem «Schieben» auf den Tag (Zeitprogramme) Bezug im Hochtarif am Tag Aufpassen bei stark forcierten Temperaturerhöhungen oder elektrischen Direktheizungen Effizienz des Gesamtsystems berücksichtigen! 25