Einfluss gebäudenaher Photovoltaik-Anlagen auf den Primärenergiebedarf von Gebäuden nach EnEV

Transkript

1 Einfluss gebäudenaher Photovoltaik-Anlagen auf den Primärenergiebedarf von Gebäuden nach EnEV M.Sc. M. Roos 1, Dr.-Ing. N. Henze 1, Dipl.-Wirtsch.-Ing. N. Boyanov, Prof. Dr.-Ing. A. Maas² 1 Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES Königstor 59, D Kassel Tel.: , Fax: maria.roos@iwes.fraunhofer.de ² Universität Kassel, Fachbereich Architektur, Stadtplanung, Landschaftsplanung, Fachgebiet Bauphysik 1. Einleitung Seit der Novellierung der Energieeinsparverordnung (EnEV) 2009 kann Strom aus gebäudenahen Photovoltaik-Anlagen bei Nutzung des Eigenverbrauchstarifs angerechnet werden und trägt somit zu einer Senkung des Primärenergiebedarfs Q p bei - für jede anrechenbare Kilowattstunde um derzeit 2,6 kwh 1. Dies ermöglicht Spielräume bei der Gebäudeplanung. So kann z.b. eine Genehmigungsfähigkeit bestimmter Anlagenkonstellationen erreicht werden, höhere Investitionen für noch höheren Effizienzstandard der Anlagentechnik oder Gebäudehülle vermieden werden oder wirtschaftliche Vorteile z.b. durch Erreichen höherer Effizienzstufen und damit verbundenen zinsgünstigen KfW-Krediten erreicht werden [1]. Der Einfluss der PV auf den Primärenergiebedarf hängt dabei einerseits vom PV-Ertrag ab, andererseits von der Höhe des monatlich bilanzierten Strombedarfs eines Gebäudes nach EnEV. Hierbei handelt es sich um eine rein rechnerische Größe, die lediglich die elektrische (Hilfs-)Energie für Heizung, Warmwasser, Kühlung und Lüftung erfasst. Bei Nichtwohngebäuden kommt der Strombedarf für die Beleuchtung hinzu. Um Größenordnungen der erreichbaren Q p -Senkung zu ermitteln, wurde im Rahmen des Projekts MULTIELEMENT am Fraunhofer IWES das Q p -Senkungspotenzial am Beispiel eines Wohngebäudes Einfamilienhauses (EFH) und eines Nichtwohngebäudes (NWG) Bürogebäude exemplarisch untersucht (Bilanzierung auf Basis der 1 Der Primärenergiefaktor für Strom wird regelmäßig gemäß des Anteils an erneuerbaren Energieträgern am deutschen Strommix angepasst und liegt gemäß EnEV zurzeit bei 2,6

2 DIN V 18599: [2]). Ziel der Untersuchung war es, Grenzbereiche der Q p -Senkung zu ermitteln, die durch PV-Anlagen erreichbar sind. Dabei wurde die Größe und Ausrichtung der PV-Anlage unabhängig von der jeweiligen Geometrie der gewählten Modellhäuser qualitativ betrachtet. Aus einer Modellgebäude-Datenbank des Zentrums für Umweltbewusstes Bauen, Kassel (ZUB) wurden zwei Modellgebäude ausgewählt und nach verschiedenen Energieeffizienzstandards ausgelegt (Abbildung 1). Abbildung 1: Eigenschaften der untersuchten Gebäude und Vorgehensweise [3] Die Herausgabe der neuen DIN V [4] im Dezember 2011 bringt Veränderungen mit sich, die sich auf das Q p -Senkungspotenzial auswirken werden (s. Kap. 5). 2. PV-Anlagen Bei den PV-Anlagen wurden zwei unterschiedliche Technologien (CIS und monokristallin) in Fassaden (Ausrichtung W / S) und auf dem Dach (30 Neigung, Ausrichtung S) in den Untersuchungen berücksichtigt. Im Folgenden wird nur das maximal mögliche Potenzial betrachtet. Abbildung 2: Untersuchte PV-Anlagen zur Bilanzierung des Q-Senkungspotenzials

3 3. Ergebnisse Monatliche Bilanz des Endenergiebedarfs Strom Vom nach DIN V [3] monatlich berechneten Endenergiebedarf Strom wird zurzeit der ebenfalls monatlich zu berechnende PV-Ertrag abgezogen 2. Der Endenergiebedarf Strom stellt eine Maximalgrenze für die Anrechnung des PV-Stroms dar. kwh Strombilanz EFH EnEV Standard mit 3 kwp PV Anlage 30 Neigung, kristallin, hinterlüftet Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Endenergiebedarf Strom ohne PV Angerechneter PV Strom PV Ertrag Resultierender Endenergiebedarf Strom Abbildung 3: Monatliche Strombilanz nach EnEV für ein Einfamilienhaus mit einer 3-kWp-Dachanlage mit kristallinen Zellen. Beim Einfamilienhaus mit Referenzanlagentechnik ist der nach EnEV bilanzierte Strombedarf relativ gering, im Winter höher als im Sommer, und hat nur einen Anteil von ca. 10% am Primärenergiebedarf des Gebäudes (Abbildung 3). Mit einer 3 kwp-- Anlage kann der gesamte Endenergiebedarf Strom fast auf Null reduziert werden. Der Bedarf korreliert jahreszeitlich nicht mit dem PV-Ertrag, deshalb können nur knapp 20% des PV-Jahresertrags angerechnet werden. Ein anderes Bild ergibt sich beim Einsatz von elektrischen Wärmepumpen, insbesondere beim Passivhauswärmeschutzniveau 3 (Abbildung 4). Hier ist Strom der einzige eingesetzte Energieträger und bestimmt allein den Primärenergiebedarf. Beim betrachteten Passivhaus kann mit einer 3 kwp PV-Anlage der Primärenergiebedarf um 62% gesenkt werden, wobei nur 30% des Solarstroms angerechnet werden können. 2 Der Endenergiebedarf Strom nach EnEV entspricht nicht dem realen Strombedarf eines Gebäudes 3 In Anlehnung an die Parameter nach Passivhaus-Projektierungs-Paket (PHPP)

4 450 Strombilanz EFH Passivhaus Standard (mit WP) mit 3 kwp PV Anlage 30 Neigung, Süd, kristallin, hinterlüftet 350 kwh Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Endenergiebedarf Strom ohne PV PV Ertrag Angerechneter PV Strom Resultierender Endenergiebedarf Strom Abbildung 4: Monatliche Strombilanz nach EnEV für ein EFH mit Passivhaus-Wärmeschutz- Niveau und mit einer 3-kWp-Dachanlage mit kristallinen Zellen. Beim Bürogebäude kommen Beleuchtungsbedarf sowie oft sommerlicher Kühlungsbedarf hinzu. Dadurch liegt im Vergleich zum EFH ganzjährig ein höherer Strombedarf vor, der zusätzlich mit dem jahreszeitlichen PV-Angebot korreliert, wie Abbildung 5 zeigt. MWh Strombilanz Bürogebäude EnEV Standard mit 100 kwp PV Anlage 30 Neigung, Süd, kristallin, frei aufgestellt Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Endenergiebedarf Strom ohne PV Angerechneter PV Strom PV Ertrag Resultierender Endenergiebedarf Strom Abbildung 5: Monatliche Strombilanz für ein Bürogebäude mit einer 100 kwp-dachanlage. Mit einer 100 kw-anlage kann der Primärenergiebedarf um 19% gesenkt werden, beim Passivhaus-Niveau sogar um 53%, wobei der gesamte PV-Ertrag angerechnet werden kann. 4. Q p - Senkungspotenzial durch PV-Anlagen Zur Ermittlung der Q p -Senkung wird der resultierende Endenergiebedarf Strom mit dem Primärenergiefaktor 2,6 multipliziert und vom Primärenergiebedarf ohne PV- Anlage abgezogen.

5 Primärenergiesenkung beim Einfamilienhaus Dach, 30 Neigung, Süd, monokristallin, mäßig hinterlüftet 100% 3 kwp Qp Senkung 75% 50% ca. 62% "Null Energie Passiv Haus" bei ca. 18 kwp EnEV Standard EnEV Standard + WP el Passivhaus Niveau Bestandsgebäude 25% ca. 10% 0% PV Anlagenleistung in kwp Abbildung 6: Primärenergiesenkung beim EFH in Abhängigkeit von der PV-Anlagenleistung Beim EFH mit EnEV-Standard liegt die maximale Q p -Senkung bei ca. 10%, die mit einer 3 kwp-pv-anlage (monokristallin) bereits erreicht wird. Mit einer elektrischen Wärmepumpe steigt die Q p -Senkung auf 40%, mit Passivhaus-Niveau sogar auf 62%. Mit einer PV-Anlagenleistung von 18 kwp könnte ein Nullenergiehaus bilanziert werden. Im Bestand ist das Senkungspotenzial ohne ergänzende Effizienzmaßnahmen gering, im betrachteten Beispiel sind es nur 2%. Primärenergiebedarfssenkung beim Bürogebäude Dach, 30 Neigung, Süd, monokristallin, frei aufgestellt 100% 100 kwp Qp Senkung 75% 50% 25% 0% ca. 53% ca. 19% "Null Energie Passiv Haus" PV Anlagenleistung in kwp EnEV Standard EnEV Standard + WP el Passivhaus Niveau Bestandgebäude Abbildung 7: Primärenergiesenkung beim Bürogebäude in Abhängigkeit der PV- Anlagenleistung Beim Bürogebäude mit EnEV-Standard-Bauweise und konventioneller Anlagentechnik können mit einer 100 kwp PV-Anlage mehr als 19% Q p -Senkung erreicht werden. Setzt man eine Wärmepumpe ein, kann mit einer 500 kwp PV-Anlage eine Q p - Senkung um 25% erreicht werden, mit Passivhaus-Niveau sogar um ca. 50%. Mit einer PV-Anlagenleistung von 1,3 MWp könnte theoretisch ein Nullenergiehaus bi-

6 lanziert werden. Im Bestandsgebäude kann ohne begleitende Effizienzmaßnahmen nur eine Senkung von ca. 11% erzielt werden. 5. Änderungen durch die neue DIN V 18599, Dezember 2011 Im Dezember 2011 wurde die neue DIN V mit Veränderungen hinsichtlich der Anrechnung von PV-Strom veröffentlicht (s. Abb. 8). Wesentliche Neuerung sind im Teil 9 End- und Primärenergiebedarf von stromproduzierenden Anlagen aufgenommen, in dem Verfahren zur Bewertung der Stromerzeugung im unmittelbaren räumlichen Zusammenhang mit dem Gebäude durch Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), Photovoltaik und Wind-Energie-Anlagen beschrieben werden. Dadurch wird zukünftig für Energieberater die Relevanz einer PV-Anlage für den EnEV-Nachweis erkennbar. Weiterhin stehen den EnEV-Software-Anbietern Rechenvorschriften zur Ertragsberechnung innerhalb der Norm zur Verfügung, die nun in die EnEV-Softwaretools integriert werden können, so dass Energieberater PV-Anlagen ohne unangemessenen hohen Zeitaufwand bilanzieren können. Der oben beschriebene Einfluss auf den Primärenergiebedarf wird allerdings reduziert, denn einerseits führen die geringeren Strahlungsintensitäten beim neuen Referenzklima zu geringeren PV-Erträgen und andererseits verringert der auf 2,4 gesunkene Primärenergiefaktor für Strom die Primärenergiebedarfsenkung durch PV. Neuer Teil 9: End- und Primärenergiebedarf von stromproduzierenden Anlagen beinhaltet ein Berechnungsverfahren für den PV-Ertrag Neue Bilanzierungsregeln in Teil 1: Erfassung von Endenergieströmen für produzierte Energie Q f,k PV ist in der Übersichtsgrafik mit den Teilen der DIN V dargestellt, gleichberechtigt neben BHKW und Wind Neue Primärenergiefaktoren f p für Strom (nicht erneuerbarer Anteil) allgemeiner Strommix : 2,4 (bisher 2,6) NEU: Verdrängungsstrommix : 2,8 Neue Referenzklimadaten: Referenzstandort Potsdam, neue Globalstrahlung: 1072 kwh/(m²a), bisher: 1120 kwh/(m²a) (-4%) Abbildung 8: PV-relevante Änderungen der DIN V 18599: im Überblick

7 6. Zusammenfassung Der Einfluss der Photovoltaik auf den Primärenergiebedarf eines Gebäudes steigt mit verbessertem Wärmeschutz und bei Einsatz von Strom als Energieträger (z.b. Durchlauferhitzer, Wärmepumpe). Bei Büro- oder Industriegebäuden können wegen des ganzjährig hohen Strombedarfs für Beleuchtung und Klimatisierung höhere Q p - Senkungen erreicht werden. Bei den betrachteten Gebäuden mit konventioneller Anlagentechnik und Effizienz-Standard nach EnEV liegt der Einfluss einer PV-Anlage auf den Primärenergiebedarf beim EFH bei maximal ca. 10%, beim Bürogebäude bei ca. 20%. Werden Wärmepumpen eingesetzt konnten in den betrachteten Gebäuden Senkungen von 40% (EFH) und 25% (NWG) erreicht werden. Die Kombination von Wärmepumpen und PV-Anlagen ermöglicht bei hohem Effizienzstandard der Gebäudehülle noch höhere Senkungen bis hin zu einem Q p -Null-Gebäude. Die EnEV bewertet dabei nur den rechnerisch ermittelten Strombedarf, der für die Klimatisierung eines Gebäudes und die Bereitung von Trinkwarmwasser unter Referenzbedingungen benötigt wird, nicht den Strombedarf von elektrischen Geräten im Gebäude. Bei Null- oder Plusenergiehäusern sollte in der Energiebilanz aber auch der Haushaltsstrom bilanziert werden, um Energiebedarfe und Stromerzeugung sinnvoll verrechnen zu können. Mit Einführung der neuen DIN V im Dezember 2012 wird sich das Primärenergie-Senkungspotenzial durch PV-Anlagen aufgrund der geringeren Strahlungsintensitäten beim Referenzklima und des geringeren Primärenergiefaktors von 2,4 gegenüber 2,6 bisher tendenziell verringern. Gleichzeitig führt aber die Aufnahme von PV in die DIN V zu einem höheren Bekanntheitsgrad dieser Möglichkeiten und zu einer Vereinfachung bei der Umsetzung durch Energieberater, sobald die EnEV- Softwarehersteller die Vorgaben umgesetzt haben. Insbesondere für energetisch hocheffiziente Gebäude mit elektrischer Wärme- oder Kälteerzeugung stellt die Photovoltaik eine gute Möglichkeit dar, den Primärenergiebedarf deutlich zu senken. Darüber hinaus wird die damit verbundene Nutzung des Eigenverbrauchstarifs nach EEG bei den angekündigten Strompreissteigerungen wirtschaftlich immer vorteilhafter werden. Dieser Beitrag zeigt Ergebnisse aus dem vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) geförderten Projekt MULTIELEMENT (Förderkennzeichen ). Die Verantwortung für den Inhalt liegt bei den Autoren.

8 7. Literatur [1] Roos, M., Berger, U., Anrechnung von Strom aus gebäudenahen Photovoltaikanlagen auf den Gesamtenergiebedarf eines Gebäudes nach der EnEV Anwenderforum GIPV, Bad Staffelstein, 2. März 2010 [2] DIN V 18599, : Energetische Bewertung von Gebäuden Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung, Teile 1 10 [3] Boyanov, N., Einfluss von gebäudenahen Photovoltaikanlagen auf den Primärenergiebedarf von Gebäuden nach EnEV Möglichkeiten nach der Einführung von 5 Anrechnung von Strom aus erneuerbaren Energien, Diplomarbeit, Universität Kassel, 2011 [4] DIN V 18599: : Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung Teile 1-11