Optimale Lastverschiebung eines Supermarktes durch Ausnutzung der thermischen Speicherfähigkeit des Kühlsystems in Kombination mit einer Photovoltaikanlage

Abstract

Die stetige Verbreitung erneuerbarer Energieträger geht mit temporären Überangeboten und vermehrten Prognoseunsicherheiten einher, welche die Balancierung zwischen Erzeugung und Verbrauch von elektrischer Energie zunehmend erschweren. Abhilfe kann die Zwischenspeicherung von elektrischer Energie schaffen. Eine unkonventionelle Form der Energiespeicherung untersucht die vorliegenden Arbeit, indem sie das Lastverschiebungspotential eines Supermarkt-Kühlsystems analysiert. Der Temperaturzustand des Kühlgutes kann vereinfacht als Füllstand eines Speichers interpretiert werden. Fließt ausreichend Energie in das Kühlsystem so sinkt die Temperatur des Kühlguts - der Speicher füllt sich. Eine Reduktion bzw. Aussetzen des Energieflusses führt zu einer Erhöhung der Kühlguttemperatur. Dies kommt dem Entleeren des Speichers gleich. In dieser Arbeit wird das Kühlsystem eines Supermarktes thermodynamisch modelliert und ein modellprädiktiver Regler entworfen, welcher die Einhaltung von Temperaturschranken gewährleistet und einen optimierten Betrieb des Kühlsystems nach unterschiedlichen Lastverschiebungszielen ermöglicht. So wird in einem Betriebsmodus der Leistungsbedarf des Kühlsystems in Zeiträume eines niedrigen Spotmarktpreises gelenkt. In einem anderen Fall wird die Kühlleistung in Zeiten verschoben an denen viel Sonne scheint und somit der Eigenverbrauch einer Photovoltaikanlage gesteigert werden kann. Die Kombination mit einer Photovoltaikanlage ermöglicht auch die Kompensation von Photovoltaik-Leistungsspitzen durch das Kühlsystem. Modellauswertungen über das gesamte Jahr 2015 haben, bei Betrieb nach dem Spotmarktpreis, ein Kosteneinsparungspotential von ca. 17% ergeben. Unter Berücksichtigung einer Photovoltaikanlage kann der Betrieb des Kühlsystems so optimiert werden, dass der Eigenverbrauch der Photovoltaikanlage um ca. 20% gesteigert wird. In einem alternativen Betriebsmodus kann die gesamte Leistungsvarianz der Photovoltaikanlage um mehr als 80% reduziert werden. Eine wirtschaftliche Analyse hat das Kosteneinsparungspotential jedoch deutlich gesenkt. Durch die Lastverschiebung entstehen ausgeprägtere Leistungsspitzen die mit erhöhten Netzkosten, Steuern und sonstigen Abgaben einhergehen. Abschließend kann festgestellt werden, dass es unter den aktuellen Rahmenbedingungen für einen Supermarktbetreiber keinen finanziellen Anreiz gibt in eine Lastverschiebungsregelung des Kühlsystems zu investieren. Zukünftig hängt die Attraktivität der Lastverschiebung demzufolge maßgeblich von den Entwicklungen der Netzkosten-, Energiekosten und sonstigen Abgaben ab.

The rising share of renewable energy sources leads to greater challenges in balancing production and consumption of energy due to increasing prediction difficulties. The solution for this dilemma could lie in the temporary storage of energy. This thesis analyzes the load shift potential by utilizing the thermal storage capabilities of a commercial refrigeration system. Electrical energy can be stored in the form of thermal energy by cooling down the chilled goods of the refrigeration system. Therefore the temperature level of the chilled good can be seen, in a simplified point of view, as the fill level of an energy storage. After formulating a thermodynamic model of the refrigeration system, a model predictive controller optimizes the energy consumption in order to satisfy predefined goals. One optimization goal is to reduce energy costs by shifting load into period of times when the energy price on the spot market is low. Energy costs could be reduced by 17% using this optimization goal. In combination with an photovoltaic system, the utilization of solar energy could be increased by 20% while shifting load towards lunchtime. By controlling the refrigeration system in order to compensate power peaks of the photovoltaic system, overall variance could be reduced by 80%. An economical evaluation showed no significant overall cost reduction potential, due to the fact that load shifting leads to greater power peaks which results in higher electricity transmission charges. Considering the current pricing conditions in Austria, there is no financial incentive for a supermarket operator to invest into a load shifting system.