Demand-Response mit Wasserbetten (DRWB)

Ziel der Bundesregierung ist es, dass bis zum Jahr 2050 mindestens 80% des deutschen Stromverbrauchs aus erneuerbaren Energien zu produzieren werden. Der meiste Strom wird aus Wind- und Solarfarmen stammen, die wetterabhängig zeitweise Leistung deutlich über oder unter dem Bedarf produzieren werden. Demand-Response-Ansätze tragen zur Ausbalancierung von Produktion und Verbrauch bei, indem elektrische Lasten Ihre Leistungsaufnahme an die aktuelle Verfügbarkeit von Leistung anpassen. Das ist insbesondere bei Geräten mit thermischen Energiespeichern möglich, wie beispielsweise Heißwasserboiler oder Wasserbetten in Haushalten, bei denen die Wärmeproduktion aus Strom in anwendungsspezifischen Grenzen zeitlich verschoben werden kann. Dabei haben z. B. die ca. 1 Million Wasserbetten in Deutschland Heizungen mit einer Gesamtleistung von etwa 250 MW die in der Größenordnung von 0,1% des deutschen Stromverbrauchs verursachen.

In diesem Projekt wird untersucht, welchen Beitrag Demand-Response-Verfahren für Wasserbetten zur Energiewende leisten können. Es ist ein Problem der multikriteriellen Optimierung. Neben der Maximierung der Wirkung für die Ausbalancierung von Stromproduktion und -verbrauch müssen der Gesamtenergiebedarf und die zusätzlichen Kosten minimiert sowie die Benutzeranforderungen erfüllt werden. Wasserbetten sollen eigenständige Geräte bleiben, die heute ohne neue Infrastrukturen der Stromanbieter oder Netzbetreiber eingesetzt werden können. Die erweiterte Temperaturregelung muss sicherstellen, dass die Wassertemperatur im engen Komfortbereich ist, wenn Menschen im Bett liegen. Da anders als bei großen industriellen Lasten der Strombedarf und damit die Wirkung eines einzelnen Gerätes für Demand-Response klein ist, müssen auch die dafür anfallenden Kosten für Herstellung, Installation und Betrieb minimiert werden. Einen Beitrag dazu wird eine durch die Regelung ermöglichte Reduzierung des Gesamtenergiebedarfs erbringen. Die Wasserbetten müssen für die Benutzer ohne großen Aufwand konfigurierbar sein und dürfen keine Daten über deren Verhalten Preis geben.

Im Projekt wird ein Konzept für Demand-Response mit Wasserbetten entwickelt und simulativ sowie mit einem Prototyp untersucht. Als Prototyp wird ein reales Wasserbett um ein universelles Mess- und Regelmodul ergänzt. Mit ihm wird ein thermisches Modell für Wasserbetten entwickelt und validiert. Unterschiedliche Temperatur-Regelalgorithmen für Demand-Response und die Reduzierung des Gesamtenergiebedarfs werden entwickelt. Sie werden mit dem Prototyp erprobt und simulativ verglichen. Dabei wird auch der Aufwand für die Integration in Stromnetze, die Schätzbarkeit der Lastprofile und für das Stromnetz problematische große gleichzeitige Laständerungen vieler Wasserbetten betrachtet.

Publikationen

• Venzke, Marcus; Turau, Volker: A demand response approach locally implementable for waterbeds. In Proceedings of 1st Workshop on Middleware for a Smarter Use of Electric Energy (MidSEE’15), Cottbus, Germany, 3 2015.
• Tobias Lübkert and Marcus Venzke and Volker Turau: Impacts of Domestic Electric Water Heater Parameters on Demand Response. In Proceedings of the 5th D-A-CH+ Energy Informatics Conference 2016, Klagenfurt, Austria, Sep 2016., DOI: 10.1007/s00450-016-0321-8
• Tobias Lübkert and Marcus Venzke and Volker Turau: Impacts of Domestic Electric Water Heater Parameters on Demand Response. Computer Science - Research and Development: S. 1-16, 2016. , DOI: 10.1007/s00450-016-0321-8
• Marcus Venzke and Volker Turau: Simulative Evaluation of Demand Response Approaches for Waterbeds. In Proceedings of the 2016 IEEE International Energy Conference (ENERGYCON), Leuven, Belgium, Apr 2016., DOI: 10.1109/ENERGYCON.2016.7514041