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DRWB

Demand-Response mit Wasserbetten

Mitarbeiter Dr. Marcus Venzke
Beginn 1. September 2013
Ende 31. August 2017

Projektbeschreibung

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

Tobias Lübkert, Marcus Venzke und Volker Turau. Appliance Commitment for Household Load Scheduling Algorithm: A Critical Review. In 2017 IEEE International Conference on Smart Grid Communications (SmartGridComm), accepted for publication, Oktober 2017. Dresden, Germany.
@InProceedings{Telematik_SGC_2017, author = {Tobias Lübkert and Marcus Venzke and Volker Turau}, title = {Appliance Commitment for Household Load Scheduling Algorithm: A Critical Review}, booktitle = {2017 IEEE International Conference on Smart Grid Communications (SmartGridComm), accepted for publication}, pages = , day = {23-26}, month = oct, year = 2017, location = {Dresden, Germany}, }
Tobias Lübkert, Marcus Venzke, Nhat-Vinh Vo und Volker Turau. Understanding Price Functions to Control Domestic Electric Water Heaters for Demand Response. Computer Science - Research and Development, September 2017.
@Article{Telematik_Demand_Response_DEWH_2017, author = {Tobias Lübkert and Marcus Venzke and Nhat-Vinh Vo and Volker Turau}, title = {Understanding Price Functions to Control Domestic Electric Water Heaters for Demand Response}, pages = , journal = {Computer Science - Research and Development}, volume = {}, month = sep, year = 2017, }
Abstract: A well-known mechanism for demand response is sending price signals to customers a day ahead. Customers then postpone or advance their usage of electricity to minimize cost. Setting up price functions that adapt the customers' load to availability is a big challenge. This paper investigates the feasibility of finding day-ahead price functions to induce a desired load profile of Domestic Electric Water Heaters (DEWHs) minimizing their electricity cost for demand response. Bilevel optimization is applied for a single DEWH using a simplified linear model and full knowledge. This leads to a solvable bilevel problem and allows understanding optimality of price functions and resulting heating profiles. It is shown that with the resulting price functions the DEWH may select many significantly different heating profiles leading to the same cost. Thus the price does not uniquely induce the desired heating profile. The acquired knowledge forms the basis for a procedure to create price functions for controlling the load profile of many DEWHs.
Tobias Lübkert, Marcus Venzke und Volker Turau. Impacts of Domestic Electric Water Heater Parameters on Demand Response. Computer Science - Research and Development, 32:49–64, 2017.
@Article{Telematik_Demand_Response_DEWH_2016, author = {Tobias Lübkert and Marcus Venzke and Volker Turau}, title = {Impacts of Domestic Electric Water Heater Parameters on Demand Response}, pages = {49-64}, journal = {Computer Science - Research and Development}, volume = {32}, year = 2017, }
Abstract: This paper analyzes the impact of the high dimen- sional parameter space of domestic electric water heaters (DEWH) for demand response (DR). To quantify the con- sumer comfort a novel metric is introduced considering a stochastic distribution of different water draw events. Incor- porating three control algorithms from literature, it is shown that all considered parameters of a DEWH except the heat conductivity have a significant impact on consumer satisfac- tion. The effect on DR is mainly influenced by the temper- ature range and the planning horizon, but also by the heat conductivity and the volume. In contrast, the rated power of the heating element and the nominal temperature have no significant impact on the effect on DR. The impacts are an- alyzed by varying these parameters in a simulation of 1000 DEWHs considering three different controllers: a common thermostat, an exchange price dependent nominal temper- ature changing mechanism and an energy scheduling algo- rithm proposed by Du and Lu.
Volker Turau und Christoph Weyer. Cascading Failures Caused by Node Overloading in Complex Networks. In Proceedings of the Joint Workshop on Cyber-Physical Security and Resilience in Smart Grids, April 2016, pp. 1–6. Vienna, Austria.
@InProceedings{Telematik_CPSR-SG2016_SmartGrid, author = {Volker Turau and Christoph Weyer}, title = {Cascading Failures Caused by Node Overloading in Complex Networks}, booktitle = {Proceedings of the Joint Workshop on Cyber-Physical Security and Resilience in Smart Grids}, pages = {1-6}, day = {12}, month = apr, year = 2016, location = {Vienna, Austria}, }
Abstract: It is well known that complex networks are vulnerable to the failure of hubs in terms of structural robustness. An as yet less researched topic is dynamical robustness, which refers to the ability of a network to maintain its dynamical activity against local disturbances. This paper analyzes the impact of overload attacks in complex networks and gives a precise definition of this type of attack using the load redistribution model. The main contribution is a greedy algorithm to select a small number of candidates for an overload attack maximizing the impact with respect to the number of failed nodes and load increase. The quality of the algorithm is analyzed for a real power grid network.
Marcus Venzke und Volker Turau. Simulative Evaluation of Demand Response Approaches for Waterbeds. In Proceedings of the 2016 IEEE International Energy Conference (ENERGYCON), April 2016. Leuven, Belgium.
@InProceedings{Telematik_EnergyCon_2016_SimulationDemandResponseWaterbed, author = {Marcus Venzke and Volker Turau}, title = {Simulative Evaluation of Demand Response Approaches for Waterbeds}, booktitle = {Proceedings of the 2016 IEEE International Energy Conference (ENERGYCON)}, pages = , day = {4-8}, month = apr, year = 2016, location = {Leuven, Belgium}, }
Abstract: This paper quantitatively compares five demand response (DR) approaches for waterbeds using simulation. The approaches enable privacy by design with a local control and contribute to the planning phase of the electricity network’s balancing process. Approaches are assessed by their energy consumption, their ability to shift power consumption to times of high availability, and the effort of realization and configuration. Load steps were identified as a risk for power network stability. A classification of DR methods, based on the position of their contribution within the electricity network’s balancing process, is used to distinguish our approach from the DR approaches found in the literature.
Marcus Venzke und Volker Turau. A demand response approach locally implementable for waterbeds. In Proceedings of 1st Workshop on Middleware for a Smarter Use of Electric Energy (MidSEE’15), März 2015, pp. 1–6. Cottbus, Germany.
@InProceedings{Telematik_VT_2015_DemandResponseWaterbed, author = {Marcus Venzke and Volker Turau}, title = {A demand response approach locally implementable for waterbeds}, booktitle = {Proceedings of 1st Workshop on Middleware for a Smarter Use of Electric Energy (MidSEE’15)}, pages = {1-6}, day = {12}, month = mar, year = 2015, location = {Cottbus, Germany}, }
Abstract: The paper presents a demand response scheme for waterbeds that can be implemented in practice today. It balances the requirements of saving energy and shifting power to times with higher power availability by planning heating phases to minimize costs according to a virtual electricity tariff derived from trading prices of an electricity exchange. The approach was successfully validated with a real waterbed under real conditions.