Vertikale Farm als regelbare Last in einem Stromnetz

Abstract

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird das Thema „Vertikale Farm als regelbare Last in einem Stromnetz“ eingehend untersucht. Eine vertikale Farm, bei der quasi durch übereinander gestapelte Glashäuser auf mehreren Etagen unterschiedliches Gemüse angebaut wird, weist eine Vielzahl von unterschiedlichen elektrischen Verbrauchern auf. Diese geschickt durch Demand Response dann zu aktivieren, wenn viele regenerative Energieerzeuger in das Stromnetz einspeisen bzw. dann zu deaktivieren, wenn viele Großverbraucher das Netz zu sehr belasten, wird erst möglich durch Kenntnis der Energiebilanz der Farm. Diese Energiebilanz wiederum ist durch mathematische Modellierung der Umwelteinflüsse zu entwickeln und zu berechnen. Eine Simulation wertet die entwickelten mathematischen Formulierungen aus und stellt die Resultate grafisch dar, anhand derer und natürlich auch anhand der Absolutwerte die Ergebnisse zu diskutieren sind. Letztlich soll eine Aussage über die Fähigkeit eines Betriebes im Demand Response - Modus möglich sein, was Aufgabe dieser Arbeit ist. In der Arbeit wird dabei das Thema „Vertikale Farm“ systematisch aufgebaut. Dazu folgt zuerst ein literarischer Teil, in dem eine Recherche ganz allgemein über das Thema Vertikale Farm erfolgt. Anschließend folgt eine Untersuchung des Themas „Demand Response“ und in einem weiteren Teil wird unter _Automation einer vertikalen Farm_ untersucht, welche Verbraucher und welche Anlagen zu verbauen und zu errichten sind. Nach diesen Abschnitten folgt einer der wesentlichsten Kapitel dieser Arbeit, nämlich die mathematische Modellierung sämtlicher natürlich vorkommender Wärmegewinne und Wärmeverluste. Neben der Sonne erfolgt auch durch Wind, Lüftung, Frischwasser und anderen Faktoren ein Gewinn oder Verlust an Wärme. Bei all diesen natürlichen Phänomenen wird durch Modellierung physikalischer Zusammenhänge eine mehr oder weniger exakte Berechnung der Leistung angestrebt. Nicht jedes Phänomen kann dabei mit beliebiger Genauigkeit berechnet werden, weshalb eine Annahme gewisser Annahmen und Vereinfachungen notwendig ist. Diese Simulationsannahmen und die Identifikation der Parameter folgt in einem weiteren Schritt. Hier wird erklärt, warum gewisse Annahmen gemacht werden. Die Diskussion der Ergebnisse in Form von Jahressimulationen, Verbesserungspotenziale und das Conclusio bilden schließlich den Abschluss dieser Arbeit. Die Ergebnisse werden entscheidend sowohl von den angebauten Pflanzen mit ihren spezifischen thermischen Bedingungen als auch von den äußeren natürlichen Einflüssen (wie Außentemperatur, Solarstrahlung, Jahreszeit, Windgeschwindigkeit und Luftfeuchtigkeit) bestimmt. Mit den in der Arbeit ermittelten absoluten Werten für den Leistungsbedarf lässt sich feststellen, dass eine vertikale Farm geeignet ist zu helfen, das elektrische Stromnetz durch das Reduzieren und Erhöhen von Lasten in einem gewissen Maße zu stabilisieren. Innerhalb verschiedener Grafiken ist zu quantifizieren, wie die benötigte Leistung erhöht wird in Zeiten von hoher volatiler Energieerzeugung.

„A vertical farm as a controllable load in the grid” is the topic of this master thesis. A vertical farm consists of stacked greenhouses, with its electrical loads for e.g. heating and lighting the farm. To find out the best moment and the ability for activating the loads, if there is a great electrical production by solar power plants or wind turbines by Demand Response is the main exercise of this work. At first a mathematical modelling of the environmental impacts hast to be developed, to find out the energy balance of the farm. The simulation evaluates the developed mathematical formulas and plots the results of it. The discussion takes place on the charts and the absolute values. That knowledge enables to find out the period of time, where an activating or a deactivating of the different kinds of electrical loads is possible. The results depend on a lot of different facts, e.g. the cultivated plants and it specific requirements for temperature and humidity, which data were taken out of the plants-catalog of the BOKU Wien. The external influences like outside temperature, humidity, season, solar radiation and wind speed affects the potential of demand response as well. A vertical farm is possible to stabilize the electrical grid in some degree by shifting, increasing and reducing its loads. As it is possible to see in different graphs, how the electrical load was balanced to help, stabilizing the grid by using a high percentage of volatile energy production.