Eine ganzheitliche Betrachtung des künftigen Energiesystems Der Gebäudesektor als Schlüsselelement

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Gottlob Wetzel
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1 Eine ganzheitliche Betrachtung des künftigen Energiesystems Der Gebäudesektor als Schlüsselelement Patrick Schumacher Gruppe Gebäude-Quartier-Stadt Fraunhofer IBP Auf Wissen bauen BWP: 11. Wärmepumpenforum, Berlin, 28. November 2013

2 Inhalt 1. Warum Energiewende? Ein paar Gründe aus Sicht der Stadt 2. Wie können künftig fossile Energieträger substituiert werden? 3. Einsatz von Energiesytemmodellierung 4. Einfluss der energetischen Sanierung 5. Umsetzung auf verschiedenen Maßstabsebenen

3 Warum Energiewende?

4 1) Klimawandel

5 2) Kostenreduktion! Jährliche Energiekosten in FFM (ohne Transport) > 1 Mrd. seit 2007

6 3) Regenerative Energien generieren weit mehr Jobs! Source: Wei et al. (2010) Die 10 Länder mit den meisten Jobs im regenerativen Energiesektor: China, Brasilien, USA, India, Deutschland, Indonesien, Japan,Frankfreich Bangladesch und Kolumbien. (Source: IRENA 2015)

8 Wie können künftig fossile Energieträger substituiert werden? EE-Wärme Solarthermie Biomasse Umweltwärme Geothermie EE-Strom Photovoltaik Wind Biogas Geothermie EE-Gas Biogas Power2Gas Endenergieverbrauch in TWh 300,0 277,7 250,0 200,0 159,8 150,0 100,0 77,3 65,4 50,0 26,5 21,3 14,3 0,0 Öl Gas Strom Fernwärme Kohle Erneuerbare Sonstige Endenergieverbrauch für Raumwärme in HH/GHD/Industrie

10 MOTIVATION EIN BEISPIEL AUS AKTUELLEN DISKUSSIONEN Was ist der kostenoptimale Mix an Erneuerbaren Energien? Optimierer

11 Interaktion EE-Strom, Wärme und Verkehr Energiesystemmodellierung am Fraunhofer IWES Eingangsgrößen Ergebnisse Brennstoffkosten Technologiekosten Potenziale/ Restriktionen Zeitreihen für Energiebedarfe (Strom, Wärme, Verkehr) Europa und/oder DE Kostenminimierung unter Einhaltung von Klimazielen Optimale Strommix Optimaler Wärmemix Energiemengengerüst und installierte Leistung CO 2 -Preis Märkte: Strommarkt Wärmemärkte (unt. Haustypen und Temperaturen Gasmarkt Mobilitätsprofile CO 2 -Markt Technologieportfolio: Windkraft, PV Stromspeicher Power-to-Gas BEV PHEV/REEV Laufwasser KWK Klimatisierung Kessel Oberleitungs-LKW Kondensations-KW Power-to-Heat Wärmepumpen

12 Beispielwochen Angebots- und Nachfragecharakteristik Erneuerbare Erzeugung Konventionelle Erzeugung GW Erzeugung und Strombedarf in Deutschland Meteo-Jahr 2006, 15./16. Kalenderwoche Last Mo Di Mi Do Fr Sa So Mo Di Mi Do Fr Sa So Wochentag Interaktion EE-Strom, Wärme und Verkehr Photovoltaik Wind Offshore Wind Onshore Biomasse Laufwasser Netto-Export Netto-Import Residuallast RL - Im + Ex PSW-Turbine Batteriespeicher Gas GuD/GT BHKW Gas - KWK Wärmepumpen E-Mobilität Klimatisierung Batteriespeicher PSW-Pumpe PtH PtG Abregelung Neue flexible Verbraucher tragen wesentlich dazu bei, die hohen auftretenden Leistungen durch Wind- und PV effizient zu verwerten Rolle Import-Export Kostengünstige Energieversorgung bei wenig EE-Abregelung 13

13 Einfluss auf den deutschen Wärmemarkt 2050 Jahresbilanz Deckungsanteile und Technologie (Geringer Dämmstandard) Haushalte und Gewerbe Industrie

14 Wirkung der Dämmszenarien auf den Strommarkt Dämmstandard I Dämmstandard II Durch größere Sanierungstiefe kann neben den Einsparungen beim Wärmebedarf auch durch höheren JAZ bei WP die Effizienz des Gesamtsystems erhöht werden Durch Dämmung wird der Gesamtstrombedarf reduziert EE-Ausbaubedarf

15 Flexibilität von Angebot und Nachfrageleistung DSM durch Gebäude und deren Anlagentechnik von hoher Bedeutung! einer hohen fluktuierenden Erzeugungsleistung steht ein flexibler Stromverbrauch gegenüber Wind und PV können effizient ins System integriert werden

16 Umsetzung der Interaktion Strom-Wärme auf verschiedenen Maßstabsebenen Einzelgebäude Quartiere z.b. Strom-Wärme-System: Optimierter Einsatz von Photovoltaik und Wärmepumpen Optimierung der Strom-Eigennutzung Vermeidung von Rebound-Effekten z.b. Strom-Wärme-System: Optimiertes Lastmanagement der Erneuerbaren und dezentralen Speicher Einbindung Demand-Side-Management für Heizung und Warmwasserbereitung Flexible Erzeugung für Strom und Wärme z.b. Niedertemperatursysteme: Optimierte Rücklaufabsenkung im Nahwärmenetz Verdichtung der Nah- / Fernwärmenutzung Regenerative Kälteversorgung als Komfortkühlung Stadt z.b. Strom-Wärme-System: Stadt-Land-Ausgleich Regionaler Lastausgleich Optimierung EE-Flächenpotentiale

17 Praxisbeispiel Stadt Wolfhagen/Hessen Fläche: ca.112 km² Region: Hessen Stadt: Wolfhagen Einwohnter: ca Wirtschaft: Landwirtschaft Lokale Erzeugung Wind-Park: 12 MWp PV-Park: 10 MWp

18 Praxisbeispiel Stadt Wolfhagen/Hessen EE-Überangebot: 19,4 GWh/a Jährlicher Stromerzeugung aus EE: 54 GWh/a Jährlicher Strombedarf: 49 GWh/a Erneuerbare Energien besitzen schon jetzt einen Anteil > 100 % des Strombedarfs von Wolfhagen in der Jahresbilanz Weitere Erhöhung des direkten Deckungsgrades!

Praxisbeispiel Stadt Wolfhagen/Hessen Verschiebepotential durch WP Ausgangslage Lastmanagement mit Wärmepumpen Zeitvariable Strompreise Ferngesteuertes Abschalten der Wärmepumpen bei Sperrzeiten

19 Praxisbeispiel Stadt Wolfhagen/Hessen Verschiebepotential durch WP Ausgangslage Lastmanagement mit Wärmepumpen Zeitvariable Strompreise Ferngesteuertes Abschalten der Wärmepumpen bei Sperrzeiten Reduzierung von Lastspitzen Reduzierung der Betriebsdauer von Spitzenlastkraftwerken Lastverschiebung über thermische Speicher Nutzung von zeitvariablen Strompreise als Eingangssignal von Regler Aktive Verschiebung thermischer Last Reduzierung von regionalen Netzengpässen Nutzung von ansonsten abgeregeltem Strom aus EE

20 Anteil von EE 45 % Verlauf der Schaltvorgänge der Wärmepumpe im Februar (konventionelle Regelung) Anteil von EE 64% Verlauf der Schaltvorgänge der Wärmepumpe im Februar (Modellbasierte prädiktive Regelung), Quelle: Yu, Fraunhofer IBP

21 Praxisbeispiel II Kassel Zum Feldlager Innovatives Wärmeversorgungskonzept für die zeitgemäße Siedlung 130 Gebäude, KfW-70-Standard, Gesamt-Heizwärmebedarf MWh/a Ziel: Energieversorgung ohne fossile Energien & neues Geschäftskonzept Studie: Variantenvergleich mit dem Stand der Technik (Gas-BW + Solarthermie)

22 Gewählte Variante Universität Kassel, Stadt Kassel, Städtische Werke Kassel AG, Fraunhofer IBP

23 Entwicklung des energieeffizienten Bauens Quelle: TUM, Lehrstuhl für Bauphysik, Prof. Dr.-Ing. Gerd Hauser

24 Source: Fraunhofer ABG IBP Frankfurt

25 Auf Wissen bauen Quelle: Postbank

Wärmepumpen in Bestandsgebäuden: Hybridheizungen als Zwischenlösung Vorschlag für schnelleren Rollout von Wärmepumpen: Energetische Sanierung i.d.r. etappenweise und erstreckt über längeren

26 Wärmepumpen in Bestandsgebäuden: Hybridheizungen als Zwischenlösung Vorschlag für schnelleren Rollout von Wärmepumpen: Energetische Sanierung i.d.r. etappenweise und erstreckt über längeren Zeithorizont: Heizungssystem / Fenster / Dach / Außenhülle / Keller / Verteilsystem Gebäude teilweise saniert (Dach+Fenster) Wärmepumpe kann ¾ des Heizwärmebedarfs decken Bestandskessel als Spitzenlastkessel bis zur umfassenden energetischen Sanierung beibehalten Danach komplette Bedarfsdeckung durch Wärmepumpe In MFH Einsatz von Hybridheizungen sinnvoll (hoher Warmwasserbedarf bei hohen Temperaturen) Alterstruktur Öl- und Gaskessel in 2015 [Mio.] 5,55 1,01 1,11 9,59 <= 20 Jahre Jahre Jahre > 30 Jahre

27 Fazit Energieeffizienz ist unsere größte Energiequelle Integration aller Teilsysteme ist die Aufgabe der Zukunft! Systemzusammenhänge sehen

28 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit Patrick Schumacher Gruppe: Gebäude-Quartier-Stadt Tel: +49 (0) research and solutions for a sustainable world

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