Ihr Haus als Elektrizitätszentrale

Große Kraftwerke versorgten früher alle Haushalte eines Landes mit Strom. Heut­zutage wird immer mehr Strom vor Ort erzeugt. Man denke nur an Windräder, die man in Deutschland überall entlang der Autobahnen sieht oder an Gewächshäu­ser in den Niederlanden, die üblicherweise mit einer Mini-KWK (Kraft-Wärme-Kopp­lung) ausgestattet sind. Auf dem Eigen­heimsektor kommen bereits regelmäßig Solaranlagen zumEinsatz. Daneben sind noch andere Mikro-Generatoren für Eigenheime auf dem Markt wie z. B. kleine Windräder. Neben diesen Möglichkeiten entsteht in den letzten Jahren noch eine neue Form der Elektrizitätserzeugung im eigenen Haus: die Verwendung von Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (micro-KWK).

Micro-KWK ist der Nachfolger der heuti­gen Generation von Heizungsanlagen mit dem Unterschied, dass nicht nur Wärme, sondern auch Strom erzeugt wird. Mit die­sen Systemen nimmt der Wirkungsgrad der Stromerzeugung zu, weil einerseits der Strom dort produziert wird wo er auch gebraucht wird und somit nur minimale Transportverluste entstehen und anderer­seits die bei der Stromproduktion entste­hende Wärme, die normalerweise verloren geht, nun vollständig für Heizung und Warmwasser verwendet werden kann. Für einen Haushalt bedeutet dies, dass in Abhängigkeit von dem Wärmebedarf des Hauses eine bestimmte Menge von Strom erzeugt weden kann. Dieser Strom kann im Hause selbst verwendet oder aber in das Elekrizitätsnetz eingespeist werden. Also eine nicht unerhebliche Kostenein­sparung für einen Haushalt!

Abbildung 1: Modell eines Hauses (Strom, Wärme und Gas).

Im Gegensatz zu Sonnen-oder Windener­gie, wo die Stromproduktion vollständig abhängig ist vom Vorhanden sein von Sonne bzw. Wind, kann ein Haushalt mit einem micro-KWK in Verbindung mit einem Warmwasserspeicher bis zu einem gewissen Grad selbst bestimmen, wann Strom produziert wird. Enthält der Warmwasserspeicher noch genug Wärme braucht man den micro-KWK nicht sofort einzuschalten, wenn Wärme gebraucht wird und wenn der Warmwasserspeicher genug Freiraum enthält, kann man den micro-KWK auch einschalten wenn keine Wärme benötigt wird.

Die Gruppen CAES (Informatik) und DMMP (Technische Mathematik) erfor­schen efficiente und intelligente Ein­satzmöglichkeiten für micro-KWKs (und Mikro-Generatoren im Allgemeinen). Dabei stehen zwei Dinge zentral:

• Die Aufrechterhaltung der Stromversor­gung eines Hauses, das zeitlich befristet vom Stromnetz getrennt wird (z.B. durch einen Stromausfall). Hier versuchen wir ein Kontrollsystem zu entwickeln, das sowohl durch Ein­satz eines Warmwasserspeichers als auch mit Hilfe eines Stromspeichers (Batterie) so viel wie möglich Geräte in Betrieb halten kann (Waschmaschine, TV, Licht, aber auch die Heizung). Erste Ergebnisse zeigen, dass ein Haushalt zu 100% weiter funktionieren kann, vorausgesetzt, dass der Einsatz von einigen Geräten durch das Kontrollsys­tem zeitlich versetzt geplant wird (z.B. Waschmaschine).

• Die Kontrolle eines großen Gebietes voller Haushalte mit kleinen Stromer­zeugern. Um sicherzustellen, dass die Stabi­lität des Stromnetzes gewährleistet bleibt, dürfen nicht alle Stromerzeuger gleichzeitig Strom an das Netz liefern. Andererseits muss ein Haushalt aber auch die Möglichkeit haben, seinen micro-KWK einzuschalten, wenn Wär­me im Haus nötig ist. Eine Gruppe von Haushalten kann da­bei als virtuelles Kraftwerk auftreten und somit ein ‚Spieler’ auf dem Strom­markt werden. Um dieses auch richtig funktionieren zu lassen sind Kontroll­methoden erforderlich.

Abbildung 2: Screenshot des Simulators; Ergebnisse einer kontrollierten Steuerung von 25 Haushalten

Um die entwickelten Kontroll-Algorith­men zu testen und deren Auswirkung auf den Betrieb innerhalb eines Hauses und die Energieeffizienz des gesamten Systems zu bestimmen, haben wir einen Simulator entwickelt, der diese Art von (Zukunfts-) Szenarien durchrechnet. Hier­durch versuchen wir fundierte Einsichten hinsichtlich der Auswirkungen einer großangelegten Einführung von micro-KWK zu erhalten.