Kopplung von Strom- und Wärmeerzeugung durch Demand Side Management

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Manfred Ackermann
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1 Kopplung von Strom- und Wärmeerzeugung durch Demand Side Management Dr. Kai Morgenstern Fraunhofer-Institut für Bauphysik - Abteilung Energiesysteme Auf Wissen bauen

2 Endenergieverbrauch- und Bereitstellung Haushalte & Gewerbe, Handel, Dienstleistungen Mechanische Energie 16% Fermwärme 8% Kohle 1% Biomasse und erneuerbare Abfälle 5% Sonstige Erneuerbare 1% sonst. Prozesswärme 10% Strom 28% Öl 20% Beleuchtung 4% Raumwärme 59% Warmwasser 11% Quelle: Bundesverband der Energie und Wasserwirtschaft Endenergieverbrauch in Deutschland 2007 Gas 37%

3 Bruttostromproduktion in Deutschland 180 Bruttoproduktion 1990: 550 TWh Bruttoproduktion 2010: 621 TWh Stromerzeugung (TWh) Braunkohle Kernenergie Steinkohle Erdgas Erneuerbare Anteil Erneurbare in 2010: 102 TWh (16,5%) Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen

Kernenergie Steinkohle Erdgas Erneuerbare Anteil Erneurbare in 2010: 102 TWh (16,5%)

4 Wolfhagen 100% EE Ländlich geprägte Kommune im strukturschwachen Nordhessen Einwohner in Kernstadt und 11 Ortteilen Beitrag zum BMBF-Wettbewerb Energieeffiziente Stadt

000 Einwohner in Kernstadt und 11 Ortteilen

5 Current Local Electricity Generation and Consumption Feed-in from Regional Grid PV Yield Grid Load Feed-back to Regional Grid Load (kw) Source: Stadtwerke Wolfhagen

Load (kw) 8000 6000 4000 2000 0 19.04.2010 20.04.2010 21.04.2010 22.04.2010 23.

6 Wolfhagen 100% EE Besonderheiten: >1400 Fachwerkhäuser im Stadtgebiet. Stromnetze wurden 1997 durch Stadtwerke rekommunalisiert. Fotovoltaikanlagen im Stadtgebiet erzeugen gegenwärtig 20% des Stromverbrauchs. Installierte Leistung 2009: 6.1 MW peak Die Stadtwerke Wolfhagen planen für 2015 die Inbetriebnahme eines Windparks. Nennleistung: 10 MW (Kapazitätsfaktor >35%).

Fotovoltaikanlagen im Stadtgebiet erzeugen gegenwärtig 20% des Stromverbrauchs.

7 Potential zur Kopplung von Strom- und Wärmeerzeugung Fragestellungen: Wie groß ist der Stromüberschuss? Welcher Anteil am Heizwärmebedarf kann damit gedeckt werden? Methodik: Erstellung eines Datensatzes für Simulation der Stromerzeugung und der Heizwärmebedarfe. Stromüberschuss = Stromerzeugung aus EE Stromverbrauch der Privathaushalte Ermittlung des Heizwärmebedarfs für alle Wohngebäude der Stadt auf Jahresbasis stündlich für ein typisches neues Einfamilienhaus Heizwärmeerzeugung mit Wärmepumpen (JAZ = 3) Pauschale Bedarfsdeckung vs. instantane Bedarfsdeckung

Methodik: Erstellung eines Datensatzes für Simulation der Stromerzeugung und der Heizwärmebedarfe.

8 Stromüberschuss - Jahr GWh Wolfhagen Deutschland Stromverbrauch priv. Haushalte 27,9 - - Windstrom 35, Photovoltaik 5, Überschuss 13, Stromüberschuss in der Heizperiode (Oktober-März): 7 GWh

Haushalte 27,9 - - Windstrom 35,9 129 7 Photovoltaik

9 Stromüberschuss - Jahresstunden Stromüberschuss (MW) ,1 GWh ,3 GWh -6 Stunden

10 Heizwärmebedarf Kernstadt: 59,7 GWh/a

11 Pauschale Bedarfsdeckung Idee Speicherung von überschüssiger elektrischer Energie in Form von Heizwärme mit Hilfe von Wärmepumpen Stromüberschuss in der Heizperiode (Oktober-März): 7 GWh Wärmepumpen mit COP 3 könnten damit 21 GWh Heizwärme erzeugen (35% des Bedarfs). Das Potential für diese Art der Energiespeicherung ist Gegenstand aktueller Forschung.

(Oktober-März): 7 GWh Wärmepumpen mit COP 3 könnten damit 21 GWh Heizwärme erzeugen (35%

12 Simulation des Heizwärmebedarfs eines Beispielgebäudes in TRNSYS Geschossfläche: 182 m 2 U-Wert Wände: 0,199 Dach: 0,195 Fenster: 1,4 A/V = 0,56

13 Instantantane Bedarfsdeckung Nettostromerzeugung (MW) Wärmebedarf (kw) Zusatzheizung Heizwärmebedarf Wärmepumpe Außentemperatur Außentemperatur Temperatur (ºC)

Wärmepumpe Außentemperatur Außentemperatur 12 8 4 0 Temperatur

14 Instantane Bedarfsdeckung - Jahresbilanz kwh/a kwh/(m2 a) Heizwärmebedarf Instantantane Bedarfsdeckung % des Heizwärmebedarfs können über instantane Bedarfsdeckung geliefert werden

15 Zusammenfassung Wie groß ist der Stromüberschuss? 13,5 GWh Jährlich, davon 7 GWh in der Heizperiode An 4700 Stunden im Jahr gibt es einen Stromüberschuss Welcher Anteil am Heizwärmebedarf kann damit gedeckt werden? Pauschale Bedarfsdeckung: 35% des Heizwärmebedarfs aller Wohngebäude Voraussetzung: alle Gebäude sind mit Wärmepumpen ausgestattet und können die erzeugte Wärme speichern, bis sie gebraucht wird. Instantane Bedarfsdeckung: 54% des Heizwärmebedarfs eines neuen Einfamilienhauses Wärmespeicherung ist hier nicht berücksichtigt und könnte den Anteil signifikant erhöhen

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