Gebäude als intelligenter Baustein im Energiesystem

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1 Gebäude als intelligenter Baustein im Energiesystem Lastmanagement-Potenziale von Gebäuden im Kontext der zukünftigen Energieversorgungsstruktur in Deutschland

2 Gebäude als intelligenter Baustein im Energiesystem Lastmanagement-Potenziale von Gebäuden im Kontext der zukünftigen Energieversorgungsstruktur in Deutschland Kurzbericht Impressum: Technische Universität München Lehrstuhl für Gebäudetechnologie und klimagerechtes Bauen Prof. Dipl.-Ing. Thomas Auer Lehrstuhl für Erneuerbare und Nachhaltige Energiesysteme Prof. Dr. rer. nat. Thomas Hamacher Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner Dipl.-Ing. (Univ.) Dennis Atabay Dipl.-Ing. (Univ.) Manuel de-borja-torrejón, M.Sc. Dipl.-Ing. (Univ.) Rita Dornmair Dr.-Ing. Philipp Kuhn Dipl.-Ing. (FH) Johannes Maderspacher, M.Sc. Dipl.-Ing. (Univ.) Florian Sänger Studentische Mitarbeiter: Johanna Laenge Jonathan-Leon Finkbeiner München, Juli 217 Das Forschungsvorhaben wurde unterstützt von: Bayerischer Bauindustrieverband e.v., Beton Bauteiele Bayern, Bundesverband Transpoertbeton (BTB), Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.v., EnBW Energie Baden Wüttemberg AG, Forschungsvereinigung der deutschen Beton-Fertigsteilindustrie e.v., InformationsZentrum Beton GmbH, Schlagmann Poroton GmbH & Co KG, Uponor GmbH Das Forschungsvorhaben wurde mit Mitteln der Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesinstitutes für Bau-, Stadt und Raumforschung gefördert. (Aktenzeichen: SWD ) Die Verantwortung für den Inhalt des Berichts liegt beim Autor

3 Ausgangslage In Deutschland wird der Ausbau erneuerbarer Energieerzeugung (s. Abbildung 1.1) gefördert, wodurch neue Herausforderungen für das Stromsystem entstehen. Um die zeitlich schwankende Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien (EE) nutzen zu können, wird unter anderem der Ansatz verfolgt, den Verbrauch an die Erzeugung anzupassen. Die Raumheizung von Gebäuden verspricht hierfür Potenzial. Das Lastmanagement- Potenzial von Gebäuden wird in diesem Projekt untersucht. Bruttoleistung in GW fluktuierende Erzeugung KWK planbare Erzeugung TUM IfE 7-63-B Abbildung 1.1 Entwicklung der Bruttoleistung der Kraftwerke in Deutschland, mit stark steigendem erneuerbarem fluktuierenden Anteil, bei sinkendem Anteil planbarere Konventioneller und steuerbarer Erzeugung aus KWK [1] 2 Gegenstand des Forschungsvorhabens Um den Einfluss von Gebäuden bzw. deren Heizungen auf das Stromsystem zu untersuchen, wird ein gekoppelter Simulationsansatz gewählt. Hierbei werden, wie in Abbildung 2.1 dargestellt, detaillierte Gebäudemodelle und deren Wärmeerzeugung inklusive Regelung mit einem Stromsystemmodell gekoppelt. Dieser Ansatz erlaubt eine detailliertere Untersuchung des Einflusses von Gebäuden auf das Stromsystem. Gebäudemodelle Regelung Stromsystemmodellierung Lastgänge Abbildung 2.1 Methodik der Modellkopplung zwischen Gebäudemodellen, Anlagentechnik und Regelung sowie Stromsystemmodellierung Gebäude als intelligenter Baustein im Energiesystem 1

4 Die Gebäudemodelle sind nach Gebäudetypen unterteilt und weiter in Energieeffizienzklassen eingeteilt, wobei die in [2] umgesetzte Typisierung als Ausgangsbasis dient. Es werden die Gebäudetypen Einfamilienhaus (EFH), Mehrfamilienhaus (MFH) sowie Bürogebäude (Büro) modelliert, wodurch insgesamt 75 % des Endenergieverbrauchs für Raumwärme berücksichtigt werden. Jeder Gebäudetyp wird in die 4 Energieeffizienzklassen Altbau, Altbau+, Neubau und Neubau+ eingeteilt (s. Tabelle 2.1). Gebäudetyp Energieeffizienzkategorie Altbau Altbau+ Neubau Neubau+ EFH MFH Büro BAK 1: bis1976 Quelle: [4] BAK 3: bzw. 2. WschVO Quelle: [4] Tabelle 2.1 Angenommene energetische Gebäudestandards für die Energieeffizienzkategorien. Als Wärmeübergabesysteme stehen je nach Gebäudetyp und Energieeffizienzkategorie unterschiedliche Wärmeübergabesysteme zur Verfügung. In Wohngebäuden kommen beispielsweise Radiatoren oder Fußbodenheizungen zum Einsatz. Diese Gebäudemodelle werden im Weiteren mit Wärmeerzeugern kombiniert. Hier stehen neben konventionellen Erzeugern wie Gas- und Ölkessel auch Wärmepumpen zur Verfügung. Um den Einfluss des Gebäudeverhaltens auf das Energiesystem bis ins Jahr 25 zu untersuchen, muss auch die Entwicklung der Gebäude- und Anlagenstruktur und deren Veränderung durch Abriss, Neubau und Sanierung berücksichtigt werden. Dazu wurde ein Softwaretool zur Auswahl von Sanierungsentscheidungen und Anlagentechniken mit Berücksichtigung verschiedener Szenarien implementiert. Die Grundstruktur des Auswahltools ist in Abbildung 2.2 dargestellt. Ausgehend vom aktuellen Gebäude- und Anlagenbestand [5] [6] wird zunächst der Abriss- und Neubau von Gebäuden berücksichtigt. Anschließend wird ein festgelegter Anteil der Gebäude saniert, was sowohl bauliche Maßnahmen als auch einen Austausch bzw. Neubau der Heizungssysteme miteinschließt. Mit Hilfe der ermittelten neuen Gebäudeverteilung und der aus der Simulation

5 gegebenen Stromlastgänge wird ein Gesamtlastgang ermittelt und an das Stromsystemmodell übergeben. Abbildung 2.2 Schema des Tools zur Berechnung der Gebäudeentwicklung und des Gesamtlastgangs Um den Einfluss des Lastmanagement-Potenzial auf das Stromsystem zu untersuchen, bedarf es der Anwendung eines Modells. Hierfür wird das Stromsystemmodell IMAKUS [7] herangezogen, dessen Ziel es ist, die gegebene Stromnachfrage zu allen betrachteten Zeitpunkten kostenminimal zu decken. Ergebnis des Modells sind optimaler Kraftwerks- und Speicherausbau und einsatz für den betrachteten Zeithorizont. Berücksichtigung findet dabei die Systemzuverlässigkeit durch die Berechnung der gesicherten Kraftwerksleistung. Abbildung 2.3 stellt das Prinzip des Modells dar. Eingangsdaten Kraftwerksbestand Speicherbestand Entwicklung von erneuerbaren Energien Entwicklung von Verbraucherlast inkl. Wärmeerzeugung Stromsystemmodell Modell zur Optimierung der Ausbau- und Einsatzplanung von Kraftwerken und Speichern Ausgangsdaten Kraftwerksausbau und -einsatz Speicherausbau und -einsatz Integration erneuerbarer Energien Spezifische CO 2 - Emissionen Abbildung 2.3 Schematische Darstellung des Stromsystemmodells [8] Gebäude als intelligenter Baustein im Energiesystem 3

6 Als Ausgangspunkt dient der bestehende Kraftwerkspark in Deutschland mit aktuell bestehenden Pumpspeicherwerken zusammen mit der Stromnachfrage Deutschlands. Die erneuerbaren Energien (EE) und die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) werden als gesetzt angenommen, wobei der Ausbau der Erzeugungskapazität als auch die Stromerzeugung festgelegt sind. Basierend auf dem beschriebenen Vorgehen werden verschiedene Szenarien für die Sanierung der Gebäude und Anlagentechnik untersucht. Im Szenario Basis wird die Sanierung möglichst wirtschaftlich durchgeführt, in Wärmepumpe sowie in Altbau Wärmepumpe werden bei der Anlagentechnik Wärmepumpen erzwungen, wobei in letzterem nur auf Altbau saniert wird. Die resultierenden Lastgänge sind in Abbildung 2.4 gegenübergestellt. Im Szenario Wärmepumpe wird zudem optimiert und nicht optimiert gegenübergestellt, wobei in optimiert der Stromlastgang der Gebäude auf Basis des Strompreises optimiert wird. Die Kopplung der Wärmenachfrage mit dem Stromsystem hat in allen Szenarien auch eine Erhöhung der Stromnachfrage bis 25 zur Folge. Abbildung 2.4 Gesamter Gebäudelastgang der Stützjahre für die Szenarien Basis, Wärmepumpe und Wärmepumpe Altbau

7 3 Fazit Im Rahmen des Projekts wurde der Einfluss der elektrischen Wärmeerzeugung in Gebäuden auf das Stromsystem mit gekoppelten Simulationsmodellen untersucht. Die resultierenden Ergebnisse wurden hinsichtlich Zusammensetzung der Stromerzeugung, Ausbau und Verhalten von großtechnischen Speicheranlagen und Entwicklung von CO 2-Emissionen untersucht. Diese zusätzliche Stromnachfrage zur Wärmeerzeugung kann zu einem großen Teil aus EE gedeckt werden. Die Emissionen für elektrische Wärmeerzeugung bewegen sich weit unter denen mit konventioneller Gasheizung (s. Abbildung 3.1). Nach einer gewissen Anpassung der zusätzlichen Nachfrage an den Strompreis verstärkt sich dieser Trend. Außerdem können Speicherinvestitionen reduziert und Speicherverluste durch eine direktere Nutzung der EE verringert werden. Eine Kopplung der Raumwärmeerzeugung mit dem Stromsystem bringt nach dieser Untersuchung in erster Linie positive Aspekte. 2 Emissionen verglichen mit Szenario "Basis" [Mio. t CO2] Szenario Wärmepumpe Emissionen der Gaskessel (errechnet) TUM EI ENS Szenario Wärmepumpe Altbau Emissionen durch Wärmepumpeneinsatz Abbildung 3.1 Vergleich der substituierten CO2-Emissionen Gebäude als intelligenter Baustein im Energiesystem 5

8 4 Eckdaten Kurztitel: Gebäude als intelligenter Baustein im Energiesystem Forscher / Projektleitung: Dipl.-Ing. (Univ.) Dennis Atabay Dipl.-Ing. (Univ.) Manuel de-borja-torrejón, M.Sc. Dipl.-Ing. (Univ.) Rita Dornmair Dr.-Ing. Philipp Kuhn Dipl.-Ing. (FH) Johannes Maderspacher, M.Sc. Dipl.-Ing. (Univ.) Florian Sänger Gesamtkosten: ,89 Anteil Bundeszuschuss: 19.25,89 Projektlaufzeit: 18 Monate + 3 Monate kostenneutrale Verlängerung

9 Literaturverzeichnis [1] J. Nietsch, T. Pregger, T. Naegler, D. Heide, D. L. de Tena, F. Trieb, Y. Scholz, K. Nienhaus, N. Gerhardt, M. Sterner, T. Trost, A. von Oehsen, R. Schwinn, C. Pape, H. Hahn, M. Wickert und B. Wenzel, Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global, Stuttgart, 212. [2] G. Hausladen, T. Auer, J. Schneegangs, K. Klimke, H. Riemer, B. Trojer, L. Qian und M. de Borja Torrejón, Lastverhalten von Gebäuden unter der Berücksichtigung unterschiedlicher Bauweisen und technischer Systeme. Speicher- und Lastmanagementpotenziale in Gebäuden, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart, 214. [3] L. Loga, B. Stein, N. Diefenbach und R. Born, Deutsche Wohngebäudetypologie. Beispielhafte Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz von typischen Wohngebäuden. Zweite erweiterte Auflage, IWU, Darmstadt, 215. [4] o.v., Typologie und Bestand beheizter Nichtwohngebäude in Deutschland. BMVBS-Online-Publikation, Nr. 16/211., Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS), 211. [5] IWU, Deutsche Gebäudetypologie. Beispielhafte Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz von typischen Wohngebäuden (211). [6] IWU, Kosten energierelevanter Bau- und Anlagenteile bei der energetischen Modernisierung von Altbauten (215). [7] P. Kuhn, Iteratives Modell zur Optimierung von Speicherausbau und -betrieb in einem Stromsystem mit zunehmend fluktuierender Erzeugung, Dissertation, TU München, 212. [8] R. Dornmair, D. Atabay, F. Sänger, M. de Borja Torrejón und J. Maderspacher, Einfluss von Gebäuden als Wärmespeicher auf das Energiesystem, in 1. Internationale Energiewirtschaftstagung der TU Wien, Wien, 217. Gebäude als intelligenter Baustein im Energiesystem 7