16A-Gebäude – Stromnetzstabilisierung durch elektrische Leistungsbegrenzung für Gebäude

• Unité de recherche: OFEN
• Numéro de projet: SI/501519

Mots-clé (Anglais)

Low Power Building, Power Grid Stability, Load-Management, Prosumer, PV Power Limitation

Description succincte (Allemand)

Eine Begrenzung der elektrischen Bezugs- und Einspeiseleistung von Gebäuden auf tiefem Niveau ist für die Stromnetzstabilität attraktiv. Als Folge der Begrenzung würde im Gebäude der Solarstrom-Eigenverbrauch optimiert, die PV-Anlageleistung begrenzt, Bezugsspitzen reduziert und evtl. ein Stromspeicher eingebaut. Auf Grund der unterschiedlichen Interessenslagen der Stakeholder müssen die Vor- und Nachteile der neuen technischen Konzepte einer Leistungsbegrenzung untersucht werden.

Description succincte (Anglais)

Buildings with a clearly defined electrical power limit for consumption as well as feed-in could simplify the stabilization of the electrical grid. The new technical concepts to limit power consumption of buildings and its consequences for different stakeholders are investigated.

Publications / Résultats (Allemand)

Documents annexés

• Fachartikel "Stabiles Stromnetz dank tieferer Absicherung" [PDF] 3'671 kB

Publications / Résultats (Français)

Documents annexés

• Article "Un réseau stable grâce à une protection faible" [PDF] 4'059 kB

Rapport final (Allemand)

Die Stabilität des Stromnetzes wird mit zunehmender Einspeisung von Strom aus neuen erneuerbaren Energien zu einer Herausforderung. Gebäude mit einer Begrenzung der elektrischen Bezugs- und Einspeiseleistung (16 A Absicherung für alle drei Stromphasen) könnten ein für die Stromnetzstabilität attraktiver Gebäudetyp darstellen. Zur Untersuchung dieses Konzeptes wurde eine Simulationsumgebung aufgebaut, die alle relevanten Komponenten umfasst. Dabei fanden die Programme IDA ICE (Gebäude), LoadProfileGenerator (Strombedarf Haushaltsgeräte) und TRNSYS (Heizsystem, PV und Batterie) Anwendung. Die Simulation einer Basisversion (ohne Lastmanagement, Batteriespeicher und PV-Anlage) zeigt, dass bei einem Einfamilienhaus die Ströme auf den drei Stromphasen im Verlauf eines Jahres nur jeweils für wenige Stunden über dem maximalen Bezugswert liegen. Mit Hilfe einer handelsüblichen Batterie kann diese Zeit auf unter 3 Stunden im Jahr reduziert werden. Um die Grenze von 16 A sicher einhalten zu können ist jedoch eine Anpassung der Regelstrategie notwendig: Ein Teil der Batteriekapazität muss zur Abdeckung der Lastspitzen reserviert werden, erst damit ist ein sicherer Betrieb eines 16 A-Gebäudes auf Stufe Einfamilienhaus mit bereits heute verfügbaren Mitteln ohne Komforteinbussen möglich. Falls ein Doppel-Einfamilienhaus mit unterschiedlichen Lastprofilen pro Haushalt zusammengenommen die 16 A-Grenze einhalten soll, reichen die genannten Massnahmen, kombiniert mit einem Lastabwurf der Wärmepumpe, nicht aus. Hier wäre zusätzlich ein Lastmanagement der Verbraucher nötig, die dazu geeignet sind. 
Der von den Verteilnetzbetreibern verlangte, leistungsabhängige Netzkostenbeitrag zeigt die Relevanz des Konzepts eines 16 A-Gebäudes. Gleichzeitig gibt es unterschiedlichste Gründe, weshalb das 16 A-Gebäude von den Netzbetreibern nicht aktiv beworben wird. Ein wesentlicher Grund ist der Skaleneffekt. Eine relevante Wirkung für den Netzbetreiber wird erst erreicht, wenn viele Gebäude gleichzeitig umsteigen. 
Das Konzept wurde mit Vertretern von drei verschiedenen Verteilnetzbetreibern diskutiert. Dabei zeigte sich, dass die Ergebnisse als sehr interessant beurteilt wurden. Nicht jedoch wie ursprünglich erwartet um die Kosten im Niederspannungsnetz zu reduzieren, sondern als Hinweis auf eine sinnvolle Strompreisgestaltung mit einem hohen Anteil Leistungspreis. Die Simulationen zeigen, dass eine Leistung von 11 kW (16 A, dreiphasig) ausreicht um ein Einfamilienhaus zu versorgen. Ein höherer Leistungsbedarf ist in der Regel mit erhöhtem Komfortanspruch (Schnellladung Elektroauto, Spezialgeräte, etc.) verbunden. Für die Preisgestaltung könnte somit der Wert von 11 kW (3x16 A) als Indikator dienen, ab wann Leistungstarif „gerecht“ verrechnet werden soll.

 

Documents annexés

• 16 A-Gebäude | Stromnetzstabilisierung und Nutzerbeeinflussung durch elektrische Leistungsbegrenzung für Gebäude - Schlussbericht [PDF] 1'876 kB

Rapport final (Anglais)

Stabilizing the power grid will become a challenge as electricity from new renewable energy sources increases. Residential buildings with a limitation of the maximum electrical power consumption and feed in (16 A fuse on all three phases) could be an attractive type of building for power grid stability. To investigate this concept, a simulation environment has been developed, which includes all relevant components. To build up this simulation environment, the programs IDA ICE (building), LoadProfileGenerator (electricity demand of household appliances) and TRNSYS (heating, PV and battery) were used. The simulation of a basic version (building without load management, battery storage and PV system) shows that in a single-family home, the currents in the three current phases are only above the maximum reference value for a few hours each year. With the help of a commercially available battery, this time can be reduced to less than 3 hours a year. However, in order to be able to safely meet the limit of 16 A, it is necessary to adapt the control strategy: Part of the battery capacity must be reserved to cover the load peaks. Only then is it possible to safely operate a 16 A building on the level of a single-family home with means already available today without sacrificing comfort If a double family house with different load profiles per household taken together should comply with the 16 A limit, the measures mentioned, combined with a load shedding of the heat pump, are not sufficient. Here, additional load management of consumers would be necessary, which are suitable.
The performance-based network cost contribution demanded by the distribution system operators shows the relevance of the concept of a 16 A building. At the same time, there are various reasons why the 16 A building is not actively advertised by the network operators. One major reason is the economies of scale. A relevant effect for the network operator will only be achieved if many buildings change at the same time. The concept was also discussed with representatives of 3 different power supply companies. It showed that the results were judged to be very interesting. Not, however, as originally expected to reduce the costs in the power grid, but as an indication of reasonable electricity pricing with a high proportion of demand charge. The simulations show that a power of 11 kW (16 A, three-phase) is sufficient to supply a single-family home. A higher power requirement is usually associated with increased comfort (fast charging electric car, special equipment, etc.). For the pricing the value of 11 kW (3x16 A) could thus serve as an indicator, from when demand tariff can be presumed to be “fair”.

Rapport final (Français)

La stabilité du réseau électrique représentera de plus en plus un défi au fur et à mesure que l’électricité produite à partir de nouvelles sources d’énergie renouvelable augmentera. Les bâtiments avec une limitation de la puissance électrique de consommation et d'alimentation (protection de 16 A sur les trois phases) constitueraient un type de bâtiment intéressant dans un contexte de stabilisation du réseau. Pour étudier ce concept un environnement, qui inclut tous les composants de simulation pertinents, a été implémenté. Les programmes IDA ICE (bâtiment), LoadProfileGenerator (consommation électrique des ménages) et TRNSYS (chauffage, système photovoltaïque et batterie) ont été utilisés à ce propos. La simulation d'une version de base (sans gestion de la charge, de la batterie et du système PV) montre que dans une maison unifamiliale, le courant dans les trois phases ne dépasse pas la valeur d’approvisionnement maximale que quelques heures par an. À l’aide d’une batterie conventionelle, cette durée peut être réduite à moins de 3 heures par an. Toutefois, afin de pouvoir respecter la limite de 16 A en toute sécurité, il est nécessaire d’adapter la stratégie de contrôle: une partie de la capacité de la batterie doit être réservée pour couvrir les pics de charge. Ce n'est qu'alors qu'il est possible d'exploiter en toute sécurité un immeuble 16 A au niveau d'une maison unifamiliale avec les moyens déjà disponibles aujourd'hui sans sacrifier le confort. Si une maison familiale double présentant différents profils de charge par ménage pris ensemble devait respecter la limite de 16 A, les mesures mentionnées, combinées à un délestage de la pompe à chaleur, ne sont pas suffisantes. Ici, une gestion supplémentaire de la charge des consommateurs serait nécessaire.

La contribution des coûts de réseau basée sur les performances demandée par les gestionnaires de réseau de distribution montre la pertinence du concept de bâtiment 16 A. Parallèlement, il existe diverses raisons pour lesquelles le bâtiment 16 A n'est pas annoncé activement par les opérateurs de réseau. Une des principales raisons est les économies d'échelle. Un effet important pour l’opérateur de réseau ne sera obtenu que si de nombreux bâtiments changent en même temps.
Le concept a également été discuté avec les représentants de 3 sociétés productrices d’électricité. Les résultats étaient jugés comme très intéressants. Contrairement toutefois à l’idée initiale, qui était celle d’une réduction des coûts fixes du réseau électrique, les représentants s’intéressaient principalement à l’aspect indicateur de puissance, qui pourrait amener à une nouvelle structuration du tarif du courant électrique. Les simulations montrent qu'une puissance de 11 kW (16 A, triphasé) suffit pour l’approvisionnement d’une maison unifamiliale. Une exigence de puissance plus élevée est généralement associée à un confort accru (voiture électrique avec charge rapide, équipement spécial, etc.). La valeur de 11 kW (3x16 A) pourrait ainsi être utilisé à titre d'indicateur, pour la définition du seuil entre le tarif de base et le tarif de haute puissance.