- Ruhr-Universität Bochum

Vorausschauende Regelung für die Hausenergieversorgung

Die Energiewende ist ohne Speicher kaum denkbar. Neben elektrischen Speichern können auch Niedertemperatur-Wärmespeicher mit Wärmepumpen eingesetzt werden, um eine Flexibilität für das Stromnetz zu bieten. Kombiniert mit einer modellprädiktiven Regelung lässt sich ein Verbund, bestehend aus Wärmepumpe, Wärmespeicher und elektrischer Batterie, optimal nutzen, um Lastausgleich für das übergeordnete Energiesystem zu ermöglichen und lokal das Angebot an elektrischer Energie z.B. aus Photovoltaik mit dem Bedarf zu verknüpfen. Dabei ist sowohl die Nutzung eines Überschusses aus häuslichen Photovoltaikanlagen als auch aus dem übergeordneten Stromnetz denkbar. Auf diese Weise entsteht ein intelligentes Energiemanagement auf häuslicher Ebene, das lokal agiert und optimiert und gleichzeitig das übergeordnete Energiesystem miteinbezieht.

Ziel des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWI geförderten Verbundprojekts „Latenter Stromspeicher“ war die Entwicklung eines intelligenten Wärmeversorgungssystems auf häuslicher Ebene (vgl. Abbildung 1), das auf der effizienten, vorausschauenden Speicherung von Energie aus unterschiedlichen Quellen beruht. Hierfür wurde am Lehrstuhl für Regelungstechnik und Systemtheorie ein vorausschauendes häusliches Energiemanagement basierend auf dem Prinzip der modellprädiktiven Regelung (MPC) entwickelt, das dynamische Simulationen mit Methoden der mathematischen Optimierung kombiniert, um thermische und elektrische Speicher sowie potentiell in Gebäuden installierte Komponenten zur Wärme- und Stromerzeugung (z.B. Wärmepumpe, Heizstab, Photovoltaik) ökonomisch und ökologisch optimal einzusetzen. Darüber hinaus wurden Konzepte zur Einbindung thermischer Speicherkapazität auf häuslicher Ebene in das elektrische Energieversorgungsnetz zur Bereitstellung eines Lastverschiebepotenzials untersucht.

Abbildung 1: Skizze des Systems zur Wärme- und Energieerzeugung. Die modellprädiktive Regelung als zentrale Intelligenz stellt einen vorausschauenden und optimalen Anlagenbetrieb sicher.

Um die thermische Speicherkapazität gegenüber herkömmlichen Wasserspeichern zu erhöhen, wurde vom Projektpartner Fraunhofer UMSICHT ein neuartiger Latentwärmespeicher auf Basis einer phasenwechselnden Dispersion (im Englischen Phase Change Slurries bzw. PCS genannt) entwickelt und mit einem etablierten Wärmepumpensystem des Projektpartners Stiebel Eltron kombiniert. Die entwickelte Regelung wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Home Power Solutions auf einem eingebetteten Energiemanagementsystem implementiert. Sowohl das Regelungskonzept als auch die technologische Innovation des Phasenwechselmaterials wurden erfolgreich an einer Demonstrationsanlage (vgl. Abbildung 2) erprobt.

Abbildung 2: Demonstrationsanlage des Heizungssystems am Standort des Projektpartners Stiebel Eltron.