Methode zur Bewertung von Smart Home Flexibilitäten im Energieversorgungssystem

Meinerzhagen, Ann-Kathrin; Schnettler, Armin; Zdrallek, Markus; Sauer, Dirk Uwe

doi:HT021079016

Methode zur Bewertung von Smart Home Flexibilitäten im Energieversorgungssystem = A method for the assessment of Smart Homes' flexibility within the energy supply system

Meinerzhagen, Ann-Kathrin^RWTH*

2021

VerantwortlichkeitsangabeAnn-Kathrin Meinerzhagen

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Verlagshaus Mainz GmbH 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95886-419-1

ReiheAachener Beiträge zur Hochspannungstechnik ; 80

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Druckausgabe: 2021. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Schnettler, Armin (Thesis advisor) ; Zdrallek, Markus (Thesis advisor) ; Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-06-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-08342
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/825551/files/825551.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Elektrische Anlagen und Hochspannungstechnik (614210)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Akteursperspektiven (frei) ; Einsatzplanung (frei) ; Flexibilität (frei) ; GGLP (frei) ; Gebäudesimulation (frei) ; MILP (frei) ; Smart Home (frei) ; Wohngebäude (frei) ; flexibility (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Politische Maßnahmen zur Erreichung der Klimaschutzziele wirken auf Quellen- und Senkenseite des Energieversorgungssystems. Neben der Förderung der Strom- und Wärmeerzeugung aus erneuerbaren Energien sollen auch Effizienzsteigerungen der Nachfrageseite zu einem klimafreundlicheren Energieversorgungssystem führen. In der Energieversorgung von Gebäuden werden Effizienzsteigerungen insbesondere durch bauliche Maßnahmen erreicht: Gebäudetechnologien sollen durch die Ausnutzung von Flexibilitäten im Betrieb eine höhere Integration erneuerbarer Energien erreichen. Die Flexibilität kann für Zielsetzungen verschiedener Akteure im Energiesystem genutzt werden. Bezüglich der akteur- und technologieübergreifenden Bewertung des Einsatzes der Flexibilitäten von sog. Smart Home-Technologien besteht zusätzlicher Forschungsbedarf. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Einsatz eines Portfolios von Technologien zur Wärme- und Stromversorgung von Gebäuden hinsichtlich des akteurspezifischen Nutzens, energetischer Kenngrößen und dem Einfluss auf das elektrische Verteilungsnetz zu bewerten. Ausgehend von einer Analyse typischer Versorgungstechnologien für Gebäude werden die Anforderungen an die Abbildung und Parametrierung der Technologien abgeleitet und technologiespezifische Modelle vorgestellt. Zielsetzungen der verschiedenen Akteure für den Einsatz der Gebäudetechnologien werden mittels der Parametrierung verschiedener entwickelter Simulations- und Optimierungsverfahren zur Einsatzplanung von Flexibilitäten in Smart Homes dargestellt. Die Ergebnisse der verschiedenen Methoden zur Einsatzermittlung werden anschließend hinsichtlich der benannten Bewertungskriterien ausgewertet und verglichen. In einer exemplarischen Anwendung auf ein Modellquartier werden die Bewertung der Flexibilitätsnutzung und die Auswirkungen der akteurspezifischen Zielsetzungen dargestellt. Strategien zur Flexibilitätsnutzung, die durch die Gebäudenutzer selbst umgesetzt werden können, zeigen nur sehr geringe Auswirkungen hinsichtlich der wirtschaftlichen und energetischen Bewertungsgrößen. Das Verteilungsnetz wird durch diese Betriebsstrategien weit weniger beeinflusst als durch eine veränderte technologische Ausstattung der Gebäude. Die Einsatzplanung im Smart Home kann in Gebäuden mit hoher Flexibilität Einsparungen von bis zu 20% der Energieversorgungskosten erzielen. Strategien zur Flexibilitätsnutzung, die durch Energiegemeinschaften oder Verteilungsnetzbetreiber als gebäudeexterne Akteure eingesetzt werden, haben teils positive und teils negative Auswirkungen auf die einzelnen Gebäude. Eine faire Verteilung der durch Energiegemeinschaften erwirtschafteten Erlöse muss somit dieser durch die Einsatzplanung entstehenden Ungleichheit entgegenwirken.

Policies for abating climate change affect both the production and the demand side of the energy supply system. To achieve a more climate neutral energy supply system, the production of electricity and heat from renewable energy sources is supported but also efficiency gains on the demand side are targeted. Efficiency gains in the energy supply of buildings are not only achieved by constructional activities: building technologies can also achieve higher integration of renewable energy by exploiting operational flexibility. This flexibility can be used for objectives of various stakeholders within the energy system. This thesis thus addresses the research demand for an assessment of the use of operational flexibility of smart home technologies that considers both stakeholder perspectives and the full range of building technologies. The aim of this thesis is assessing the use of a portfolio of technologies for supplying heat and electricity to buildings regarding the stakeholder-specific benefits, energy key indicators, and the influence on the electrical distribution grid. Starting with an analysis of typical building supply technologies, the requirements for modelling and parametrising said technologies are derived and the resulting technology models are presented. The objectives of various stakeholders are represented by parametrising a range of developed simulation models and optimisation problems for the operational planning of flexibilities located in smart homes. The results from these different approaches are subsequently assessed and compared regarding the identified criteria. The assessment uses an exemplary application of the developed approach to a model city quarter for presenting the results of the stakeholders’ objectives. Strategies using the operational flexibility of building technologies that are applied by the building users themselves show very little change in economic and energy-related indicators. These strategies affect the electrical distribution grid less than a change in the buildings’ technological configuration. Operational planning within smart homes can save up to 20% of the energy supply costs in buildings with high flexibility. Strategies using the operational flexibility of building technologies that are applied by building-external stakeholders like energy communities or distribution grid operators affect individual buildings both positively and negatively. The revenue from a community-oriented operational planning needs to be fairly distributed in order to counteract the resulting disparity.

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