Photovoltaik und Solarwärme Lösungen für die Zukunft

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1 Photovoltaik und Solarwärme Lösungen für die Zukunft Dr., Karola Sommer (ITW) Universität Stuttgart Pfaffenwaldring 6, Stuttgart Internet: 1

2 Inhalte Einleitung Beschreibung der untersuchten Trinkwasser- und Kombianlagen Bewertungskriterien Annahmen und Randbedingungen Ergebnisse: Primärenergiebedarf Finanzielle Amortisationszeit jeweils für Trinkwasseranlagen, Kombianlagen im Neubau und im Bestand Fazit 2

3 Einleitung Nutzung verschiedener solarer Technologien zur Deckung des Wärme- und Strombedarfs eines Einfamilienhauses (Wohnfläche 128 m², Standort Würzburg); ST: Solarthermie; PV: Photovoltaik Betrachtung von Trinkwasseranlagen und von Kombianlagen Ausführung des Modellgebäudes als Neubau und als Bestandsgebäude mit folgendem Wärme- und Strombedarf: TW-Wärmebedarf [kwh/a] Raumwärmebedarf [kwh/a] Strombedarf [kwh/a] TW-Anlagen Kombianlagen - Neubau (EnEV2009) (t V,max = 35 C) Bestand (WSchVO95) (t V,max = 50 C)

4 Aufteilung der Dachfläche genutzte Dachfläche (45 Neigung, nach Süden ausgerichtet): für Kombianlagen: 55 m² (max. Dachfläche des Modellgebäudes) für TW-Anlagen: 30 m² (entspricht mit ca. 3,5 kwp typ. PV-Anlagengröße) Aufteilung der Dachfläche zwischen ST und PV: Typische ST-Trinkwasseranlage mit A koll = 4,7 m² Typische ST-Kombianlage mit A koll = 14 m² Restliche Fläche für PV-Module 4

5 TW-Anlagen el. 6

6 Untersuchte solare Kombianlagen Wärmeerzeugung solar Nachheizung Stromerz. Kombi-Ref - Gas-BW - Kombi-PV1 PV+ E-Heizstab (mit Kombispeicher) E-Heizstab PV Kombi-ST1 ST - Kombianlage Gas-BW PV Kombi-PV2 PV-Deckung des WP-Stroms L/W-WP PV Kombi-ST2 PV-Deckung des WP-Stroms + ST L/W-WP PV Ref: Referenzanlage ohne solar, L/W-WP: Luftwasser-Wärmepumpe BW: Brennwertkessel 7

7 Kombi-Anlagen 41 m² el. 8

8 Nutzungsgrade Annahmen und Randbedingungen Gas Brennwertkessel: 85% Gas Durchlauferhitzer: 75% Elektrischer Durchlauferhitzer bzw. Heizstab: 99% WP - Jahresarbeitszahl in Anlehnung an ISE-Felduntersuchungen * WP - Sperrzeiten werktags (10:45 bis 12:15 u. 17:30 bis 19:00) Haushaltsstrombedarf: kwh/a Nachtstrom werktags 22:00 bis 6:00 und Wochenende ganztägig Nutzung des PV-Ertrags vorrangig zur Deckung des Haushaltsstrom- und Hilfsstrombedarfs, dann Heiz- bzw. WP-Strom, dann Einspeisung 9 Max. Speichertemperatur für PV + E-Heizstab (zur Begrenzung der Speicher- Wärmeverluste): TW-PV1: 55 C ; Kombi-PV1: 80 C * Fraunhofer ISE, Freiburg 2010/ 2011

9 Bewertungskriterien Primärenergiebedarf zur Deckung des Wärmebedarfs (PEF für Erdgas: 1,1; PEF für Strom: 2,6) Primärenergiebedarf zur Deckung des Strombedarfs (Haushalts- + Hilfsstrombedarf, PEF für Strom: 2,6) Primärenergiebedarf gesamt = PE-Bedarf für Wärme + PE-Bedarf für Strom Anteilige Primärenergieeinsparung fsav: PE- Einsparung bezogen auf die Referenzanlage ohne solar (f sav = 1 Q PE Q PE,Ref ) Wirtschaftlichkeit: Finanzielle Amortisationszeit Berechnungen jeweils mit und ohne Einspeisung des PV- Überschussstroms zur Abschätzung des Umfangs der Stromnetznutzung 10

10 Ergebnisse Betrachtet wird zunächst die Primärenergiebedarf (Einsparung) der drei Anlagentypen für: TW-Anlagen: TW-Erwärmung + Haushaltsstrom (Ref: ca kwh/a) Kombianlage: TW-Erwärmung + Haushaltsstrom + Raumheizung im Neubau (Ref: ca kwh/a) im Bestand (Ref: ca kwh/a) * Fraunhofer ISE, Freiburg 2010/

11 Ergebnisse Primärenergie-Bedarf : solare Trinkwasseranlagen PE-Bedarf [kwh/a] fsav [-] 0,9 fsav,ges ohne Einspeisg. fsav,ges mit Einspeisung ,8 PE-Bedarf Wärme ,7 PE-Bedarf Strom 0, Gesamt ohne Einspeisg. 0, Gesamt mit Einspeisg. 0, ,3 Kombination aus solar ,2 thermischer TW-Er wärmung mit Gas-DLE 0,1 und PV (für Haushalts- 0 0 strom) benötigt am TW-Ref TW-PV1 TW-ST1 TW-PV2 TW-ST2 wenigsten Primärenergie bei einem Wärmebedarf von ca kwh/a (inkl. Speicherungsverluste) (TW-ST1) und einem Strombedarf von ca kwh/a; davon HH-Strom 3500 kwh/a 12

12 Ergebnisse Primärenergie-Bedarf : Kombianlagen im Neubau PE-Bedarf [kwh/a] K-Ref K-PV1 K-ST1 K-PV2 K-ST2 fsav [-] bei einem Wärmebedarf von ca kwh/a (inkl. Speicherungs -verluste) und einem Strombedarf von ca kwh/a Keine PE-Einsparung bei Kombi-PV1 ohne Einspeisung 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0-0,2 fsav,ges ohne Einspeisg. fsav,ges mit Einspeisg. PE-Bedarf Wärme PE-Bedarf Strom Gesamt ohne Einspeisg. Gesamt mit Einspeisg. Kombinationen mit Solarthermie (K-ST1/2) und mit PV-Deckung des Wärmepumpenstroms (K-PV2) führt zu den geringsten Primärenergieverbräuchen 13

13 Ergebnisse Primärenergie-Bedarf : Kombianlagen im Bestand PE-Bedarf [kwh/a] K-Ref K-PV1 K-ST1 K-PV2 K-ST2 fsav [-] bei einem Wärmebedarf von ca kwh/a (inkl. Speicherungsverluste) und einem Strombedarf von ca kwh/a Keine PE-Einsparung bei Kombi-PV1 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0-0,2 fsav,ges ohne Einspeisg. fsav,ges mit Einspeisg. PE-Bedarf Wärme PE-Bedarf Strom Gesamt ohne Einspeisg. Gesamt mit Einspeisg. Kombinationen mit Solarthermie (K-ST1/2) und mit PV-Deckung des Wärmepumpenstroms (K-PV2) führt zu den geringsten Primärenergieverbräuchen 14

14 Ergebnisse finanzielle Amortisationszeit: solare TW-Anlagen FAZ [a] FAZ mit Anrechnung des Gasanschlusses ohne EVgü EVgü 19,5 ct/kwh EVgü 15,0 ct/kwh TW-PV1 TW-ST1 TW-PV2 TW-ST2 EVgü: Einspeisevergütung Inkl. Kosten für Gasanschluss 15

15 Ergebnisse finanzielle Amortisationszeit: solare TW-Anlagen FAZ [a] EVgü: Einspeisevergütung FAZ mit Anrechnung des Gasanschlusses TW-PV1 TW-ST1 TW-PV2 TW-ST2 ohne EVgü EVgü 19,5 ct/kwh EVgü 15,0 ct/kwh kürzeste finanzielle Amortisationszeit (FAZ) für Solaranlage zur Trinkwassererwärmung und PV-Anlage zur Deckung des Haushaltsstroms (TW-ST1) und ggf. Einspeisung Inkl. Kosten für Gasanschluss 16

16 Keine fin. Amortisation Finanzielle Amortisationszeit : Kombianlagen im Neubau FAZ [a] ohne EVgü EVgü 19,5 ct/kwh 15 EVgü 15,0 ct/kwh K-PV1 K-ST1 K-PV2 K-ST2 kürzeste finanzielle Amortisationszeit (FAZ) für solarthermische Kombianlage und PV-Anlage zur Deckung des Haushaltstroms und ggf. Einspeisung (K-ST1) EVgü: Einspeisevergütung Inkl. Kosten für Gasanschluss 17

17 Keine fin. Amortisation Finanzielle Amortisationszeit : Kombianlagen im Bestand FAZ [a] ohne EVgü EVgü 19,5 ct/kwh EVgü 15,0 ct/kwh K-PV1 K-ST1 K-PV2 K-ST2 kürzeste finanzielle Amortisationszeit (FAZ) für solarthermische Kombianlage und PV-Anlage zur Deckung des Haushaltstroms und ggf. Einspeisung (K-ST1) EVgü: Einspeisevergütung Inkl. Kosten für Gasanschluss 18

18 Fazit solare Trinkwasseranlagen Höchste primärenergetische Effizienz: Niedrigste finanzielle Amortisationszeit: ST mit Erdgas-Nachheizung ST mit Erdgas-Nachheizung gilt sowohl ohne als auch mit Anrechnung der PV-Netzeinspeisung Vorteil der ST liegt in der hohen flächenspezifischen Effizienz der Kollektoren Nachteil der Wärmepumpe: niedrige Jahresarbeitszahl zur Warmwasserbereitung und geringe solare Deckung des WP-Stroms Nachteil der direkten elektrischen Warmwasserbereitung: höhere Brennstoffkosten und geringere PV-Einnahmen da weniger PV-Strom zur Einspeisung verfügbar 19

19 Fazit solare Trinkwasseranlagen ST mit Erdgas-Nachheizung 20

20 Fazit solare Kombianlagen Höchste PE Effizienz - ohne EVgü: ST mit WP Nachheizung - mit EVgü: PV + WP Niedrigste FAZ (ohne und mit EVgü): ST mit Erdgas-Nachheizung gilt sowohl im Neubau als auch im Bestand Das System ST + WP ist energetisch effizient, allerdings relativ teuer Das System PV + WP erreicht mittels der Netzeinspeisung des überschüssigen PV-Ertrags einen niedrigen PE-Bedarf (solare Deckung des WP-Stroms ist gering) Das System PV + E-Heizstab ist primärenergetisch ineffizient und erreicht keine finanzielle bzw. energetische Amortisation 21

21 Fazit solare Kombianlagen ST mit WP Nachheizung mit EVgü: PV + WP 22

22 Fazit Generell gut beraten mit Solarthermie zur Wärmeerzeugung und PV für Stromerzeugung ggf. PV in Kombination mit WP auch Raumheizung 23

23 Danke für Ihre Aufmerksamkeit 24

24 Anhang Folien mit weiterführenden Informationen, die aus zeitlichen Gründen nicht gezeigt werden 25

25 Energetische Amortisationszeit (EAZ) : solare TW-Anlagen EAZ [a] Energetische Amortisationszeit 10 9 ohne Einspeisg. 8 mit Einspeisg TW-PV1 TW-ST1 TW-PV2 TW-ST2 kürzeste energetische Amortisationszeit (EAZ) für solarthermische Trinkwassererwärmung und PV-Anlage zur Deckung des Haushaltsstroms und ggf. Einspeisung (K-ST1) 26

26 Keine energ. Amortisation Ergebnisse EAZ : Kombi-Anlagen im Neubau + Bestand EAZ [a] Energetische Amortisationszeit K-PV1 K-ST1 K-PV2 K-ST2 Neubau - ohne EVgü Einspeisg. Neubau - mit EVgü Einspeisg. Bestand - ohne EVgü Einspeisg. Bestand - mit EVgü Einspeisg. kürzeste energetische Amortisationszeit (EAZ) ohne Einspeisung - therm. Solaranlage mit WP und PV mit Einspeisung - dito und PV + WP 27

27 Annahmen zur finanziellen Amortisationszeit (FAZ) Investitionskosten ST, GasBW, Kombi-Wärmepumpe nach MAP-Evaluierung 2009 PV: Preisindex BSW 3. Quartal 2012 Durchlauferhitzer, Brauchwasser-WP: Internet-Preisvergleich Gutschrift für reduzierten hydraulischen Montageaufwand (ST + GasBW bzw. WP) Gutschrift für reduz. Dach-Montageaufwand für zeitgleiche Installation ST + PV Kosten für Gasanschluss: 2025 MAP-Förderung (Stand 08/2012) für Anlagen im Bestand Zinssatz 2%, jährliche Energiepreissteigerung 5% Berechnung mit 3 Einspeisevergütungssätzen 0,0 ct/kwh; 19,5 ct/kwh; 15 ct/kwh Aktuelle Energiepreise nach folgender Tabelle: Erdgas Strom Wärmepumpentarif Heizstrom Hochtarif Heizstrom Niedertarif Haushaltsstrom ct/kwh 7,0 17,75 19,41 15,30 25,74 28

28 Annahmen zur Energetischen Amortisationszeit (EAZ) Daten zum kumulierten Energieaufwand aus ecoinvent 2.2, teilweise sind Anpassungen oder Extrapolationen für die hier betrachteten Anlagen nötig Daten für ST-Anlagen aus ITW-Untersuchungen Daten für PV-Anlage aus Report IEA-PVPS-T12-02:2011, IEA-PVPS- Task 12, Oktober 2011 Berechnung der EAZ sowohl mit als auch ohne Anrechnung des eingespeisten PV-Stroms (aus der Jahresbilanz, mit Primärenergiefaktor 2,6) 29

29 Anhang Solarerträge Detail-Ergebnisse Primärenergiebedarf für Kombianlagen im Neubau 30

30 Solarerträge der Trinkwasseranlagen Beschreibung Einheit TW-PV1 TW-ST1 TW-PV2 TW-ST2 ST-Fläche [kwh/a] - 4,7-4,7 ST-Ertrag [kwh/a] PV-Fläche [kwh/a] 30 25, ,3 PV-Peakleistung [kwp] 3,7 3,1 3,7 3,1 Gesamter PV-Ertrag [kwh/a] PV-Ertrag zur Strombedarfsdeckung PV-Ertrag zur Wärmebedarfsdeckung [kwh/a] [kwh/a] PV-Einspeisung [kwh/a] Sol. Deckungsanteil Wärme fsol [-] 0,59 0,71 0,07 0,37 fsol : solare Deckung des Wärmebedarfs bzw. des Kompressorstrombedarfs (inkl. Speicherungsverluste) 31

31 Solarerträge der Kombianlagen /Neubau Beschreibung Einheit Kombi-PV1 Kombi-ST1 Kombi-PV2 Kombi-ST2 ST-Fläche [kwh/a] ST-Ertrag [kwh/a] PV-Fläche [kwh/a] PV-Peakleistung [kwp] 6,8 5,1 6,8 5,1 Gesamter PV-Ertrag [kwh/a] PV-Ertrag zur Strombedarfsdeckung PV-Ertrag zur Wärmebedarfsdeckung [kwh/a] [kwh/a] PV-Einspeisung [kwh/a] Sol. Deckungsanteil Wärme fsol [-] 0,22 0,23 0,07 0,24 fsol : solare Deckung des Wärmebedarfs bzw. des Kompressorstrombedarfs (inkl. Speicherungsverluste) 32

32 Solarerträge der Kombianlagen /Bestand Beschreibung Einheit Kombi-PV1 Kombi-ST1 Kombi-PV2 Kombi-ST2 ST-Fläche [kwh/a] - 14,0-14,0 ST-Ertrag [kwh/a] PV-Fläche [kwh/a] 55,0 41,0 55,0 41,0 PV-Peakleistung [kwp] 6,8 5,1 6,8 5,1 Gesamter PV-Ertrag [kwh/a] PV-Ertrag zur Strombedarfsdeckung PV-Ertrag zur Wärmebedarfsdeckung [kwh/a] [kwh/a] PV-Einspeisung [kwh/a] Sol. Deckungsanteil Wärme fsol [-] 0,18 0,18 0,07 0,20 fsol : solare Deckung des Wärmebedarfs bzw. des Kompressorstrombedarfs (inkl. Speicherungsverluste) 33

33 Details PE-Bedarf für Wärme: Kombianlagen /Neubau Beschreibung Einheit Kombi- Ref Kombi- PV1 Kombi- ST1 Kombi- PV2 Kombi- ST2 Wärmebedarf * [kwh/a] Nachheizbedarf [kwh/a] als Wärme [kwh/a] als Strom [kwh/a] PV-Ertrag gesamt [kwh/a] PV-Ertrag zur Deckung des Wärmebedarfs [kwh/a] ST-Ertrag [kwh/a] PE-Bedarf Wärme [kwh/a] fsav,therm,pe [-] 0-0,49 0,27 0,30 0,46 34 PEF Erdgas: 1,1 PEF Strom: 2,6 * inkl. Wärmeverluste des Speichers

34 Details PE-Bedarf für Strom: Kombianlagen /Neubau Beschreibung Einheit Kombi- Ref Kombi- PV1 Kombi- ST1 Kombi- PV2 Kombi- ST2 Strombedarf * [kwh/a] Netzstrombedarf [kwh/a] PV-Ertrag gesamt [kwh/a] PV-Ertrag zur Deckung des Strombedarfs [kwh/a] PE-Bedarf Strom [kwh/a] fsav,el,pe [-] 0 0,46 0,44 0,46 0,44 PEF Strom: 2,6 * Strombedarf für Haushalts- und Hilfsstrom, nicht für WP-Antrieb 35

35 Details Gesamt-PE-Bedarf : Kombianlagen /Neubau Beschreibung Einheit Kombi- Ref Kombi- PV1 Kombi- ST1 Kombi- PV2 Kombi- ST2 PE-Bedarf Wärme * [kwh/a] PE-Bedarf Strom ** [kwh/a] ohne Anrechnung der PV-Einspeisung PE-Bedarf gesamt [kwh/a] fsav,tot,pe [-] 0-0,14 0,33 0,36 0,45 Mit Anrechnung PV-Einspeisung PV-Einspeisung [kwh/a] PE-Bedarf gesamt [kwh/a] fsav,tot,pe [-] 0 0,04 0,71 0,89 0,82 * für einen Wärmebedarf von ca kwh/a ** für einen Strombedarf von ca kwh/a 36

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