BigStoreSwarm – Reduktion der Winterstromspitzen von Wärmepumpenheizungen durch grosse Wasserspeicher für Bestandsgebäude und Neubauten

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502703

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Laut Energieperspektiven 2050+ werden in Zukunft ca. 2/3 aller Gebäude mit individuellen Wärmepumpen beheizt, was an kalten Wintertagen zu einer problematischen zusätzlichen Lastspitze in der Grössenordnung von 10 GW führen kann. Zusammen werden diese Systeme bereits mit einer herkömmlichen Auslegung der Wasserspeicher eine Kapazität von ca. 70 GWh aufweisen. In diesem Projekt wird untersucht, inwieweit Wärmepumpen in Kombination mit grösseren Wasserspeicher in Gebäuden eingesetzt werden können, um diese problematischen Leistungsspitzen zu brechen. Dies erfordert jedoch eine systemdienliche Regelung/Steuerung und z.T. Abstriche bei der Eigenverbrauchsoptimierung, die durch die heutigen Anreizsysteme noch nicht gefördert werden..

Kurzbeschreibung (Englisch)

According to Swiss Energy Perspectives 2050+, about 2/3 of all buildings will be heated with individual heat pumps in the future, which can lead to a problematic additional load peak in the order of 10 GW on cold winter days. Together, these systems will already have a capacity of about 70 GWh with a conventional design of the water storage. This project investigates the extent to which larger water storage tanks can be used in buildings to break these problematic power peaks. However, this requires a system-serving regulation/control and, in part, sacrifices in self-consumption optimisation, which are not yet promoted by the current incentive systems.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Selon les « Perspectives énergétiques suisses 2050+ », environ deux tiers de l’ensemble des bâtiments seront chauffés à l’avenir à l’aide de pompes à chaleur individuelles, ce qui pourrait entraîner un pic de charge supplémentaire problématique de l’ordre de 10 GW lors des journées hivernales froides. À eux seuls, ces systèmes auront déjà une capacité d’environ 70 GWh avec une conception classique du stockage d’eau. Ce projet examine dans quelle mesure des réservoirs de stockage d’eau plus grands peuvent être utilisés dans les bâtiments pour atténuer ces pics de consommation problématiques. Cela nécessite toutefois une régulation et un contrôle au service du réseau et implique, en partie, des sacrifices en matière d’optimisation de l’autoconsommation, qui ne sont pas encore encouragés par les systèmes d’incitation actuels.

Schlussbericht (Deutsch)

Laut den Energieperspektive 2050+ werden in Zukunft etwa 2/3 aller Gebäude mit individuellen Wärmepumpen beheizt, was an kalten Wintertagen zu einer problematischen zusätzlichen Spitzenlast in der Grössenordnung von 10 GW führen kann. In diesem Projekt wurde untersucht, inwieweit Wärmepumpen in Kombination mit grösseren Wasserspeichern in Gebäuden eingesetzt werden können, um problematische Winterspitzenlasten zu reduzieren, insbesondere wenn die CO2-Belastung des Netzes hoch ist. Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass die maximale Stromspitze und die CO2-Belastung der Wärmepumpe im Durchschnitt um 12% bzw. 20% reduziert werden können (im Vergleich zum Standardfall), wobei die Ergebnisse von Fall zu Fall stark variieren. Die Veränderung des Speichervolumens hat einen erheblichen Einfluss auf die Veränderung der CO2-Belastung des Gebäudes, jedoch nicht auf die Verringerung der Stromspitze. AP4 zeigt anhand einer Analyse von Schwarmkonzepten, dass eine dezentrale Koordination auf Quartierebene mit TES die eine Überbrückungszeit von ca. 8 h haben, Leistungsspitzen um ca. 30% reduzieren kann; auf nationaler Ebene liegt das technisch erschliessbare Potenzial bei ca. 10-15%, da nicht-flexible Lastanteile national dominieren. Netzseitig wirken TES vor allem in NE7 (Niederspannung) und NE5 (Mittelspannung), indem sie Wärmenachfrage zeitlich von Stromspitzen entkoppeln und so lokale Gleichzeitigkeit senken. In AP5 ergibt die techno-ökonomische Bewertung Wärmegestehungskosten von 0.219-0.317 CHF/kWh. Mit geeigneter Regelstrategie (CO2min / PVEigenmax) lassen sich max. 1.5% der Schweizer Gebäude-CO2-Emissionen vermeiden. Die Regelstrategie, um die Stromspitzen zu brechen, führt zu einer höheren CO2-Belastung gegenüber der Standardregelung. Eine Spitzenlastreduktion auf Quartiersebene von ca. 30% ermöglicht Netzkosteneinsparungen in der Grössenordnung von etwa 2.0 Mrd. CHF/a; um einen ähnlichen Effekt zu erzielen, sind einmalige Zusatzinvestitionen für grosse TES in der Grössenordnung von 9 Mrd. CHF notwendig.

Zugehörige Dokumente

• Schlussbericht_deutsch [PDF] 9'027 kB

Schlussbericht (Englisch)

According to Energy Perspective 2050+, around two-thirds of all buildings will be heated with individual heat pumps in the future, which could lead to a problematic additional peak load of around 10 GW on cold winter days. This project investigated the extent to which heat pumps can be used in combination with larger water storage tanks in buildings to reduce problematic winter peak loads, especially when the CO2 load on the grid is high. The results of the study showed that the maximum electricity peak and the CO2 load of the heat pump can be reduced by an average of 12% and 20% respectively (compared to the standard case), although the results vary greatly from case to case. The change in storage volume has a significant influence on the change in the building's CO2 load, but not on the reduction in electricity peak. AP4 uses an analysis of swarm concepts to show that decentralized coordination at neighbourhood level with TES that have a bridging time of approx. 8 hours can reduce power peaks by approx. 30%; at national level, the technically exploitable potential is approx. 10-15%, as non-flexible load components dominate nationally. On the grid side, TESs are particularly effective in LV7 (low voltage) and MV5 (medium voltage) by decoupling heat demand from electricity peaks in time, thereby reducing local simultaneity. In AP5, the technoeconomic assessment results in heat production costs of CHF 0.219-0.317/kWh. With a suitable control strategy (CO2min / PVEigenmax), a maximum of 1.5% of Switzerland's building CO2 emissions can be avoided. A neighbourhood peak reduction of approximately 30% can enable grid cost savings in the order of around CHF 2.0 billion/year; to achieve a similar effect, one-off additional investments for large TES in the order of CHF 9 billion would be necessary.

Schlussbericht (Französisch)

Selon les perspectives énergétiques 2050+, environ deux tiers de tous les bâtiments seront chauffés à l'avenir à l'aide de pompes à chaleur individuelles, ce qui pourrait entraîner une charge de pointe supplémentaire problématique de l'ordre de 10 GW pendant les journées hivernales froides. Ce projet a examiné dans quelle mesure les pompes à chaleur peuvent être utilisées en combinaison avec des réservoirs d'eau plus grands dans les bâtiments afin de réduire les pics de charge problématiques en hiver, en particulier lorsque la charge de CO2 du réseau est élevée. Les résultats de l'étude ont montré que la pointe électrique maximale et l'impact CO2 de la pompe à chaleur peuvent être réduits en moyenne de respectivement 12% et 20% (par rapport au cas standard), bien que les résultats varient considérablement d'un cas à l'autre. La modification du volume de stockage a un impact significatif sur la modification de l'empreinte carbone du bâtiment, mais pas sur la réduction de la pointe de consommation électrique. AP4 montre, sur la base d'une analyse des concepts de ruche, qu'une coordination décentralisée au niveau des quartiers avec des TES ayant une durée de transition d'environ 8 heures peut réduire les pics de puissance d'environ 30% ; au niveau national, le potentiel techniquement exploitable est d'environ 10 à 15%, car les charges non flexibles dominent à l'échelle nationale. Du côté du réseau, les TES agissent principalement en NE7 (basse tension) et NE5 (moyenne tension) en découplant la demande de chaleur des pics de consommation électrique et en réduisant ainsi la simultanéité locale. Dans AP5, l'évaluation technico-économique donne des coûts de production de chaleur de 0,219 à 0,317 CHF/kWh. Avec une stratégie de régulation appropriée (CO2min / PVEigenmax), il est possible d'éviter jusqu'à 1,5% des émissions de CO2 des bâtiments en Suisse. Une réduction des pics de consommation dans les quartiers d'environ 30% pourrait permettre de réaliser des économies sur les coûts du réseau de l'ordre de 2,0 milliards de CHF/an ; pour obtenir un effet similaire, des investissements supplémentaires uniques de l'ordre de 9 milliards de CHF seraient nécessaires pour les grands TES.