Vortrag von. Ansätze und Methodik zur Bewertung der Sektorkopplung im Gebäude

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1 Ansätze und Methodik zur Bewertung der Sektorkopplung im Gebäude Vortrag von Joachim Walter am , 13. Gebäudeenergietag Rheinland-Pfalz der TSB

2 Über uns (1) Transferstelle Bingen (TSB) Gründung 1989 Als Institut an der Technischen Hochschule Bingen (TH Bingen) Integriert in die ITB ggmbh Themen: Regenerative Energiesysteme, Rationelle Energienutzung und Biogene Werkstoffe Mitarbeiter Wissenschaftliche Leitung: Prof. Dr. Oliver Türk Die TSB heute: 20 feste Mitarbeiter + 10 freie Mitarbeiter (Studierende) Bundesweite Projekte mit Schwerpunkt RLP Etwa 120 abgeschlossene Energieprojekte pro Jahr Fachtagungen zu unterschiedlichen Energiethemen mit ca Besuchern pro Jahr 2

3 Geschäftsführung TSB Prof. Dr. Oliver Türk Wissenschaftlicher Leiter der TSB Stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe Energetische Nutzung nachwachsender Rohstoffe Verbundwerkstoffe neue Mobilität Dipl.-Ing. Joachim Walter Geschäftsführer der TSB Planung Energiedesign Forschung und Entwicklung Lüftungs- und Klimatechnik Energiemanagement Mobilitätskonzepte Biogene Werkstoffe Dipl.-Ing. Michael Münch Stellvertretender Geschäftsführer der TSB Gruppenleiter kommunale Projekte Umsetzungsbegleitung innovativer Energieprojekte Klimaschutz- und Quartierskonzepte Intelligente Stromnutzung / smart grids in Kommunen Konzepte für die Abfallwirtschaft Konzepte für die Wasserwirtschaft 3

4 Tätigkeitsfelder Kommunen Energiewirtschaft Gewerbe & Industrie Biogene Werkstoffe Kommunale Energie- und Klimaschutzkonzepte Wärmeversorgung Gebäudeenergie Energiedesign Energieversorgung Geothermie Energiewirtschaftliche Optimierung Energiekonzepte für Abfall- und Abwasserbetriebe Zusatzvermarktungsmöglichkeiten Energiewirtschaftliche Bewertung der Eigenstromerzeugung Kommunikations- Hardund Software Studien zur Direktvermarktung Virtuelles Kraftwerk Erprobung von energietechnischen Anlagen am eigenen Prüfstand Energiekonzepte Energieaudit /- management Energiedesign/ Qualitätsmanagement Energiestrategien Ressourceneffizienz Prozessoptimierung Carbon Footprint Ökobilanzierung Nachhaltige Mobilität Wissenschaftliche Begleitung von Feldtests Biogene Werkstoffe Werkstoffliche Anwendung nachwachsender Rohstoffe Materialentwicklung Materialanalyse Alternativen zu petrochemischen Kunstund Verbundwerkstoffen Ressourceneffizienz Ökobilanzierung Veranstaltungen / Fachtagungen 4

5 Förderkulisse KfW-Quartierskonzepte Integriertes Energetisches Quartierskonzept zur Steigerung der Effizienz in den Kommunen 65 % Zuschussbetrag der KfW 20 % Zuschussbetrag durch Fördermittel des Landes (Förderrichtlinie Wärmewende im Quartier) 15 % Eigenanteil Antragsteller (Kommunen, Eigenbetriebe, Eigentümer organisiert in privatrechtlicher Form) Antragstellung ganzjährig möglich Finanzschwache Kommunen: Verpflichtung zur Aufstellung eines Haushaltssicherungskonzepts formlos bestätigen Reduzierung des Eigenanteils auf 5 % 5

6 Definition Sektorkopplung Sektorkopplung im Zusammenhang mit der Energiewende sehen. - soll fossile Energieträger durch Erneuerbare Energien substituieren indem neue sektorenübergreifende Anwendungen genutzt werden. - Anwendungen in der Regel Verbindung zwischen Angebots- und Nachfragesektoren (bspw. Industrie-Abwärme für Wärme in Haushalten) - Primäres Ziel ist die Reduzierung von Treibhausgas- Emissionen Quelle: Wietschel et al. 2018: Sektorkopplung Definition, Chancen und Herausforderungen, Fraunhofer ISI 2018; KOPERNIKUS Projektpapier 6

7 Einflussfaktoren zur Bewertung - Wirtschaftlichkeit - Primärenergieaufwand - CO 2 -Emissionen / Klimawirkung - Umweltwirkung - Erfüllung der Versorgungsaufgabe - Flexibilität - Resilienz Zukunftsfähigkeit / Autarkiegrad / Störanfälligkeit - Regulatorik / Gesetze - Räumliche oder zeitliche Wirkung 7

8 Überschuss -Strom Überschuss definiert als Energiemenge, die im Zeitraum über die Nachfrage hinaus erzeugt wird. Erzeugung > Nachfrage Bedingung: Speicherung und Flexibilisierungen ausgereizt Unterscheidung: Bundesweit und lokal. Ausfall in EEG und KWK aufgrund lokaler Netzengpässe 2016= 0,7% der erzeugten Nettostrommenge in D Kriterium Überschuss-Strom nicht geeignet zur Bewertung der Sektorkopplung! 8

9 Sektorkopplung am Projektbeispiel Smart Campus Optimale Lokale Einbindung als Bewertungskriterium

10 Smart Campus und Versorgungsaufgabe Simulation der prognostizierten Jahreslastgänge Strom, Kälte, Wärme und Feststellung des Energiebedarfs 10

11 Smart Campus Versorgungsaufgabe -1 Wärmeversorgung Gebäude 1 4 Statische Heizflächen + Heizregister in Lüftung Fernwärmestation ~1.000 KW th Fernwärmenetz Stadtwerke Kälteversorgung Gebäude 1 Uni Rechenzentrum EDV Räume 1.800KW KL Kühlregister in den Lüftungsanlagen 3xKKM (COP 3,0) 3x600KW KL 3x200kW el VBH: h/a Bei freier Kühlung: VBH: h/a 2xKKM Reserve (COP 3,0) 2x600 KW KL 2x200kW el NSHV NEA KW el VBH: 0 h/a USV 10 min 11 VNB Stadtwerke ~2.400 KW el Werte / Annahmen auf Basis der Projektvorgaben.

12 Smart Campus Versorgungsaufgabe -2 Wärmeversorgung Gebäude 1 4 Statische Heizflächen + Heizregister in Lüftung Fernwärmestation ~1.000 KW th Fernwärmenetz Kälteversorgung Gebäude 1 Uni Rechenzentrum EDV Räume 1.800KW KL Kühlregister in den Lüftungsanlagen 3xKKM (COP 3,0) 3x600KW KL 3x200kW el VBH: h/a Bei freier Kühlung: VBH: h/a 2xKKM Reserve (COP 3,0) 2x600 KW KL 2x200kW el NSHV P 2 H ~2.200 kwel VBH: h/a BHKW kwel KW th VBH: h/a NEA KW el VBH: 0 h/a USV 10 min VNB ~2.400 KW el Werte / Annahmen auf Basis der Projektvorgaben. 12

13 Konzeptmodell Smart Campus Wärmeversorgung Gebäude 1 4 Statische Heizflächen + Heizregister in Lüftung Kälteversorgung Gebäude 1 Uni Rechenzentrum EDV Räume 1.800KW KL Kühlregister in den Lüftungsanlagen Fernwärmestation ~1.000 KW th Fernwärmenetz Pufferspeicher Wärmepumpe 300KW th 71 kw el Max h/a 3xKKM (COP 3,0) 3x600KW KL 3x200kW el VBH: h/a Bei freier Kühlung: VBH: h/a 2xKKM Reserve (COP 3,0) Eisspeicher 600 kw KL 8h/d Lade /Entladezeit Freie Kühlung bei T a <10 C 1.800KW KL h/a NSHV P 2 H ~2.200 kwel VBH: h/a BHKW kwel KW th VBH: h/a Strom, der Bilanziell dem Campus zur Verfügung steht Batterie 2000 kw VBH: 0 h/a NEA 2000 KW el VBH: 0 h/a USV 10 min VNB ~2.400 KW el 13

14 Sektorkopplung Kriterien im Beispiel - Örtliche Gegebenheiten berücksichtigen - Optimierung von vorhanden Lösungen - Genaue Analyse des Bedarfs in den Sektoren: - Wärme - Strom mit den Dimensionen Eigenerzeugung, Verbrauch, Sicherheit (NEA) und Flexibilität - Kälte - Modelle und detaillierte Berechnungen nötig 14

15 Sektorkopplung am Projektbeispiel Einfamilienhaus mit PV, kontrollierter Wohnraumlüftung, WP, Batterie, Elektroauto, Wärme- und Kältebedarf Autarkie als Bewertungskriterium

16 Beispiel Einfamilienhaus Eingangsfrage: Wie groß kann die Stromautarkie werden? Batteriespeicher maximal denken? Quelle: TGA-GM Consulting und Waterkotte

17 PV Anlage 10 kwp / PV Hauptdach

18 PV Anlage 14 kwp / PV Hauptdach und Carport Autarkiegrade Anteil des tatsächlich benötigtenten Strom vom Netz Lithium Akku Stromverteilung StromspeicheEigenproduktion Netz 0 kwh 27% 73% 14 kwh 43% 57% 28 kwh 38% 62%

19 Projektbeispiel Quartierskonzept Nahwärme Wirtschaftlich ökologisches Optimum als Bewertungskriterium/-kriterien

20 Nahwärme Innenstadt Bauhof kirchliche Einrichtungen Seniorenheim

21 Ökologische Bewertung Verursachergerechte Bilanzierung der Treibhausgasemissionen inkl. Vorketten Berücksichtigung Strom- und Erdgasbezug für die Gebäude ABC, D, IP-C, EFGH, K Ökologische Bewertung Reduzierung der Treibhausgasemissionen (CO 2 e) um 16 % - insbesondere durch Stromeigenerzeugung Umsetzung BHKW vermindert Strombezug, erhöht aber Erdgasbezug Erdgas-BHKW sind als Brückentechnologie in der Energiewende für den Zubau der Windund Solarstromerzeugung zwingend erforderlich. Energieverbrauchsminderungspotenziale im Bereich Strom und Wärme sollten dringend identifiziert und umgesetzt werden, um die ökologische Bilanz zu verbessern. 21

22 Fazit BHKW und PV-Anlagen in den dimensionierten Größen führen (unter Beachtung technischer, wirtschaftlicher und rechtlicher Rahmenbedingungen) zu einer guten Deckungsrate des Verbrauchs an Strom und Wärme mit klimafreundlichen Technologien. Deutliche Verbrauchskostenreduzierung bei gleichzeitiger Wirtschaftlichkeit (Jahresvollkostenrechnung) und annehmbarer Amortisationszeit (deutlich unter der Nutzungsdauer aller Einzelkomponenten) Verbrauchsminderung Strom und Wärme notwendig Umsetzung WHU Reduzierung Strombezug -47 % Steigerung Erdgasbezug +60 % Verminderung -25 % verbrauchsgebundene Kosten Verminderung Treibhausgasemissionen -16 % Deckung des heutigen Verbrauchs Strom Wärme BHKW 100kW el im Wärmeverbund 40 % 60 % Photovoltaik-Dachanlage 100 kw p 7 % - 22

23 Projektbeispiel Grünes Quartier Prozessabbild als Bewertungskriterium

24 Green Urban Smart Energy Area Die Gebäude Ziel: Energieautarkes und CO2-neutrales Bestandsquartier Boos, S., & Ratzke, M. (2017). Projektentwicklung zur Realisierung einer energieautarken und CO2 neutralen Energieversorgung eines Bestandsquartiers in Schifferstadt. Masterthesis an der HS Mainz. 24

25 Green Urban Smart Energy Area - Die Versorgungsidee Boos, S., & Ratzke, M. (2017). Projektentwicklung zur Realisierung einer energieautarken und CO2 neutralen Energieversorgung eines Bestandsquartiers in Schifferstadt. Masterthesis an der HS Mainz. 25

26 Berechnungen: Strombedarf Stromlastgänge Wärmelastgänge Boos, S., & Ratzke, M. (2017). Projektentwicklung zur Realisierung einer energieautarken und CO2 neutralen Energieversorgung eines Bestandsquartiers in Schifferstadt. Masterthesis an der HS Mainz. 26

27 Berechnungen: Wärmebedarf Wärmelastgänge Boos, S., & Ratzke, M. (2017). Projektentwicklung zur Realisierung einer energieautarken und CO2 neutralen Energieversorgung eines Bestandsquartiers in Schifferstadt. Masterthesis an der HS Mainz. 27

28 Erzeugungsprognosen Stromerzeugung und Deckungsanteile der Einzeltechnologien und des Verbundes. Hier: - PV, Speicher, BHWK Boos, S., & Ratzke, M. (2017). Projektentwicklung zur Realisierung einer energieautarken und CO2 neutralen Energieversorgung eines Bestandsquartiers in Schifferstadt. Masterthesis an der HS Mainz. 28

29 Dynamisches Prozessabbild Detaillierte Berechnungen zu Wärme- und Strombedarf und Erzeugung Boos, S., & Ratzke, M. (2017). Projektentwicklung zur Realisierung einer energieautarken und CO2 neutralen Energieversorgung eines Bestandsquartiers in Schifferstadt. Masterthesis an der HS Mainz. 29

30 Fazit zur Bewertung von Sektorkopplung Energieversorgung am Gebäude wird komplexer Effizienz der Einzelsysteme ist Grundvoraussetzung Abhängigkeiten der Sektoren von Anfang an klar definieren Modelle / detaillierte Berechnungen nötig ab Zwei Erzeugern in zwei Sektoren (Wärme, Kälte, Strom, Mobilität) Bewertungskriterien vor Konzept priorisieren Transparent kommunizieren und überprüfbar machen (Bauüberwachung, Inbetriebnahme, Einfahrverhalten, Energie- Betriebsprüfung nach 1 Jahr) 30

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt Dipl. Ing. (FH) Joachim Walter (06721) Mit Energie für Effizienz und Umwelt Transferstelle Bingen Berlinstraße 107a Bingen 31