Speicherlösungen im Kontext der Energiewende Praxiserfahrungen in Wohngebäuden

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1 Institut für Gebäude- und Solartechnik Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Mühlenpfordtstraße 23 D Braunschweig Speicherlösungen im Kontext der Energiewende Praxiserfahrungen in Wohngebäuden Dipl.-Ing. Architekt Thomas Wilken

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3 Technische Universität Braunschweig IGS - Institut für Gebäude und Solartechnik Ingenieure (ca. 30) aus den Bereichen Architektur Bauingenieurwesen Maschinenbau In der Fakultät Architektur Bauingenieurwesen Umweltwissenschaften SMA, Niestetal HHS, Architekten, Kassel Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 3

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5 Eine Konzeptentscheidung! Heizen mit der Sonne? Solarthermie Photovoltaik Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 5

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7 Entwicklungen auf dem Weg zum EnergiePLUS Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 7

8 Solar unterstütztes Heizen Kronsberg Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 8

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10 Solarthermie till 2005 Solare Heizungsunterstützung mit Langzeitspeicherung in Deutschland Residential area Friedrichshafen-Wiggenhausen Building type Multistorey + Terraced houses Number of dwellings Total living area m² Collector area m² (5.600 m²) Solar fraction dimensioning 47% Storage volume m³ (hot-water-storage) Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 10

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14 Aktivhaus Power to Heat Plusenergie-Wohnhaus Riedberg, Frankfurt Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 14

15 Riedberg, Nassauische Heimstätte, Frankfurt Mehrfamilienhaus 20 Wohneinheiten Dach 82 kw p living area m 2 Fassade 15 kw p PV- power ca. 97 kw p Jährlicher Ertrag kwh/a HHS Architekten, Kassel EGSplan, Stuttgart energy payback time 8-9 years Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 15

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17 Frankfurt Riedberg Energiebilanz Heizen + WW < 40% Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 17

18 Frankfurt Riedberg Rohbau Eisspeicher Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 18

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21 Speichermedien und -varianten Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 21

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23 Last Management... Thermische Masse als Speicher Winter Beladung am Tag Entladung in der Nacht Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 23

24 Last Management... Thermische Masse als Speicher So mmer Beladung am Tag Entladung in der Nacht Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 24

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26 Systemstudien Parametersimulation / - studie Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 26

27 Konzept PV to Heat Nutzung aller verfügbaren thermischen Speicherkapazitäten (Fußbodenheizung (Estrich) und Pufferspeicher) Gezielte Steuerung der Wärmepumpe Umsetzung von Regelstrategien zur Erhöhung der Laufzeit der Wärmepumpe - Erhöhung der Speichertemperatur - Erhöhung der Oberflächen- und Vorlauftemperatur der FBH Einbindung von Batterien Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 27

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30 Kostenvergleich thermische vs. elektrische Speicherung + 37% (Netto-Kosten) + 51% Quelle: Masterarbeit Kley Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 30

31 Zukunftstrend Gebäude als Kraftwerk aktiv statt passiv Motivation Umsetzung und Realisierung einer solare Energieversorgung solarthermische Anlage und Photovoltaik-Anlage Photovoltaik-Anlage in Kombination mit Wärmepumpen Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 31

32 Trend Entwicklung des Energiebedarfs Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 32

33 wirtschaftliches Potential für die Speicherung Grenzkostenbetrachtung bei Entwicklung neuer Technologien Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 33

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35 Energieeinsparverordnung 2014 Novellierung zum 1. Mai 2014 Primärenergiefaktor für Strom Strom zum Heizen! Elektrische Speicherheizsysteme Streichung der Außerbetriebnahme-Regelung Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 35

36 Hochtemperaturfeststoffspeicher - HTFS Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 36

37 Konzept System Parameter: PV-Generator: 10 kw p 4 Personen Wärmebedarf (Heizung + TWW) 60 kwh/(m²*a) HTFS: 18t / 5m³ Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 37

38 Integration in Wohngebäude Simulation Studie System Parameters: PV-Generator: 10 kwp 4 Persons Heat Demand (Water + Heating) 60 kwh/(m²*a) HTFS: 18t / 5m³ Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 38

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40 Referenzsystem Reference System: Residential building (research project Future:Solar) Solar-thermal plant 40 m² Seasonal hot water Storage 10m³ Gas boiler (condensing) PV-generator 6 m² High solar fraction in the heat supply Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 40

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45 Aktivhaus+ / EnergiePLUS Batteriesysteme in der Praxis AC-seitig gekoppeltes Batteriesystem mit Bleibatterie Redox Flow Batterie mit PV - Mover (Solon SE, Berlin) Vanadium Redox-Flow-Batterie 100kWh/10kW (Cellstrom) Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 45

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52 Wirtschaftlichkeit Batteriesysteme Strompreis PV-Anlage (2011) und äquivalente Stromspeicher- Preise Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 52

53 e-mobility Elektromobilität und dezentrale Erzeugung Beispiel Kompaktklasse Verbrauch 15 kwh/100 km km/a = kwh/a 2.5 bis 3 kw p 20 bis 24 m² PV Fläche Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 53

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59 thermische und elektrische Speicher Energetisch und ökonomisch sinnvoll, mit dem überschüssigen PV- Strom direkt eine WP zu betreiben, um einen thermischen Speicher und die Gebäudemassen mit Wärme zu laden. Batteriespeicher für die Stromspeicherung kostenintensiv. Thermische Speicher wesentlich preisgünstiger als die adäquate Energiebevorratung in einer Batterie Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 59

60 . Herzlichen Dank! Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 60

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63 Plusenergie-Schule Willibald-Gluck-Gymnasium, Neumarkt (i.d.opf.) Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 63

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66 Willibald-Gluck-Gymnasium, Neumarkt Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 66

67 Fazit Solarthermie und Photovoltaik sind Bausteine der Energiewende Schlüsselrolle: PV + Wärmepumpe + NT- Systeme Hohe Eigenstromnutzung = zukunftsweisende Projekte Umsetzung von thermischen Speichern zur Steigerung des Eigenstromnutzungsanteils essenziell Ausbau von Pufferspeichervolumen Nutzung thermischer Gebäudemasse Energiemanagement und Stromspeicherung wichtig Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 67

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69 Stromlastmanagement Stromlastmanagement durch Ansteuerung von Haushaltsgeräten im A+++ Effizienzstandard: 7 % des Haushaltsstrombedarfs lassen sich verschieben Erhöhung des Eigennutzungsgrads von ursprünglich 34 % um 3,5 % Umsetzung nur mit deutlichen Mehrkosten bei den Geräten zu realisieren Lastverschiebung bei Haushaltsgeräten aus wirtschaftlicher Sicht sinnvoller mit Stromspeicher Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 69

70 Batteriespeicher Stromspeicher Batterietyp: Lithium-Eisen-Phosphat Speichergröße: ca. 300 kw/ 250 kwh Abmessungen: ca. 2,20 x 6,00 x 0,70 m (HxBxT) Vorteile durch Speichernutzung: Erhöhung des Eigennutzungsgrades Reduzierung von Lastspitzen Eigenschaften: gute Tiefentladeeigenschaften hohe Zyklenfestigkeit Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 70

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77 AktivPLUS-Gebäude Smart Home - Beispiel EFH Berghalde Building Management System (BMS) Photovoltaik Beleuchtung LED Smart Meter Elektromobil Batteriespeicher Wärmepumpe Smart Grid Haushaltsgeräte Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 77

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83 Stand der Technik: Nachtspeicheröfen Core Fe 2 O 3, ρ = 3900 kg/m³ / Maghamit, Magnetit Heating Rods Durability depends on the operating temperature (750 C: h) Operating temperature limited to 750 C Insulation 20 mm mikroporous material (Aerogel, Pyrotherm λ=0,03-0,05 W/(m*K) / 20 C 750 C) Outer Shell: ventilated air-layer Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 83

84 Stand der Technik: VSI Heizwasserspeicher Storage Media Water, oil (up to 250 C) Vacuum Insulation Perlite, opacifer, vacuum < 0,1 mbar Parameters Cooling rate 0,0026 K/(d*K) (conventional storage 0,0095 (K/d*K)) Thermal transition coefficient: 1/R=0,04 W/(m²*K) Costs 5m³ - Storage: EUR Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 84

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88 Plusenergie-Wohnhaus Berghalde, Warmbronn Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 88

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91 Eigenstrom- und Deckungsanteile (kwh) 2011 bis Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 91

92 Speichertechnologien Ein Thema mit Zukunft Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 92

93 Jahresstrombilanz Thomas Wilken homewarming Hamburg I Seite 93

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