Nutzung von Gebäuden als thermische Speicher

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1 Nutzung von Gebäuden als thermische Speicher FKZ: UM Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Clemens Felsmann Berliner Energietage,

2 Hintergrund: Integration Erneuerbarer Energien + Flexibilität Quelle: EEG Erfahrungsbericht im Auftrag des BMU Integration der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien und konventionellen Energieträgern Folie 2

3 Speicher Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung Ansatz: Thermische Energiespeicherung im Gebäude Gebäudeseitiges Lastmanagement zur Verschiebung elektrischer Lasten durch Ausnutzung thermischer Speichereffekte. Voraussetzung: Kopplung elektrischer und thermischer Systeme z.b.: Bauwerksmasse, Wärmepumpe, Elektroheizstab, Anlagenspeicher Flexibler Strombezug! Wärmepumpe Bauwerksmasse Folie 3

4 Ansatz: Thermische Energiespeicherung im Gebäude Gebäudeseitiges Lastmanagement zur Verschiebung elektrischer Lasten durch Ausnutzung thermischer Speichereffekte. Quelle: DA Trost; 2010 Folie 4

5 Entwicklung einer Gebäudetypologie Wohngebäude Ein und Zweifamilienhaus Reihenhaus Mehrfamilienhaus normal (3 bis 10 NE) groß (über 10 NE) Weitere Unterteilung in 10 Baualtersklassen (vor 1958, 1959 bis 1918, 1919 bis 1948, 1949 bis 1957, 1958 bis 1968, 1969 bis 1978, 1979 bis 1983, 1984 bis 1994, 1995 bis 2001, ab 2002) Ankopplung relevanter Energiesysteme Folie 5

6 Nutzung der Gebäudekonstruktion / Bauwerksmasse indirekt Nur ein Teil der Bauwerksmasse ist für die thermische Speicherung relevant. Die maximal wirksame Speicherdicke ist abhängig von der Zyklusdauer der Temperaturwechsel ( Eindringtiefe ). Einfache Abschätzung nach DIN EN Außerdem kann sie maximal: die Hälfte der Gesamtdicke des Bauteils ausmachen bzw. geht nur bis zur ersten Wärme dämmenden Schicht. Mit der wirksamen Wärmekapazität: Berechnung der speicherbaren Wärmemenge: - Welche Materialien? - Welche Zyklusdauer? - Welche Temperaturänderungen? - Latente Effekte in PCMs? - Wirkungsgrad? Folie 6

7 Wohngebäude Klassifizierung : Ankopplung der Energiesysteme: KWK, Kältemaschinen, Wärmepumpen Folie 7

8 Wohngebäude Speicherpotenzial Bausubstanz im Gesamtwohngebäudebestand Deutschlands Folie 8

9 Wohngebäude Nutzung Gebäudespeicher Beispiel Heizung Unterbrechung der Fernwärmeversorgung (rechts mit Massestrombegrenzung) E-Energy: MoMa Folie 9

10 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung Wohngebäude Speicherpotenzial Bausubstanz im Gesamtwohngebäudebestand Deutschlands Berücksichtigung von örtlichen Verteilungen und Gleichzeitigkeiten Kraftwerke und Verbundnetze in Deutschland Flensburg Reußenköge Baltic 1 (49 MW) No rdl BARD Offshore 1 Fehmarn ink (in Bau) (ge ) in 18 rw 20 Bo IB N org er(geplanteib 2018) nte ble Ca Kontek pla ltic Ba Kiel-Ost 1 Rostock alpha ventus (60 MW) Rostock-Marienehe Brunsbüttel Brokdorf Wedel Bützfleth Wilhelmshaven Hamburg-Tiefstack Wybelsumer Polder Geesthacht / Elbe Uckermark Putlitz Huntorf Bremen-Farge Schwedt Bremen-Hafen Bremen-Mittelsbüren Templin-Groß Dölln Bremen-Hastedt Charlottenburg Moabit Berlin-Mitte Reuter-West Arneburg Emsland-Lingen Landesbergen Hannover-Stöcken Havelland Arneburg Emsland Ibbenbüren Ahrensfelde Neuhardenberg Klingenberg Reuter Wolfsburg West Wilmersdorf Hannover-Herrenhausen Lichterfelde Kirchmöser Wolfsburg Nord Heyden Hannover-Linden Braunschweig-Mitte Druxberge Veltheim Kirchlengern Salzgitter-Hallendorf Grohnde Münster/Hafen Marl Eisenhüttenstadt Buschhaus Sülzetal Datteln Lünen Gelsenkirchen-Scholven Thyrow Körbelitz Mehrum Schönewalde Gersteinwerk Erzhausen / Leine Jänschwalde Staßfurt Westfalen Voerde Bernburg Hamm-Uentrop Voerde-West Duisburg-Walsum Schwarze Pumpe Herne Bitterfeld Chemiepark Rheinberg Senftenberg Bergkamen Duisburg-Hamborn Sintfeld Gustav Knepper Duisburg-Ruhrort Schwarzheide Herdecke Duisburg-Hochfeld Schkopau Hagen-Kabel Krefeld-Uerdingen Leipzig-Nord Shamrock Huckingen Koepchenwerk / Ruhr Wuppertal-Barmen Boxberg Großkayna Duisburg-Wanheim Lausward Werdohl-Elverlingsen Leuna Grevenbroich - Neurath Waldeck / Eder Wuppertal-Elberfeld Frimmersdorf Lippendorf Leuna Rönkhausen / Glingetal Dormagen Dresden Leverkusen Niederaußem Köln-Merkenich Frechen / Wachtberg Köln-Niehl Ville/Berrenrath Goldenberg Jena-Süd Wintershall Chemnitz Nord Köln-Godorf Wesseling Knapsack - Hürth Weisweiler Hohenwarte Goldisthal / Schwarzatal Markersbach Frankfurt-West Staudinger Frankfur-Hoechst Langenprozelten / Main Mainz-Wiesbaden Frankfurt-Niederrad Rüsselsheim Grafenrheinfeld Obernburg Darmstadt Würzburg Nürnberg - Sandreuth Ensdorf Ludwigsburg-Nord Quierschied-Weiher Reisach Ludwigshafen-Mitte Happurg / Pegnitz Mannheim Ludwigshafen-Süd Bexbach Franken Philippsburg Völklingen HKV Saarbrücken-Römerbrücke Heilbronn Völklingen MKV Walheim Neckarwestheim Karlsruhe Marbach Iffezheim / Rhein Irsching Ingolstadt - Großmehring Stuttgart-Münster Plattling Altbach/Deizisau Gambsheim / Rhein Jochenstein / Donau Gundremmingen Isar Zolling-Leininger Braunau-Simbach / Inn München-Nord München-Freimann München-Süd 1 Burghausen München-Süd 2 Hausham Häusern Wehr Witznau Walchensee / Isar Waldshut / Rhein Karte: Umweltbundesamt Rheinfelden Albbruck-Dogern Schwörstadt (Ryburg) Säckingen Laufenburg / Rhein Km Umweltbundesamt 2013 TU Dresden, Berliner Energietage Kraftwerke ab 100 MW Braunkohle Raffineriegas 4000 [in MW] Steinkohle Gichtgas 3000 Erdgas Ölrückstand Kernenergie Wind Heizöl Wasser 500 Hüttengas Biomasse Abfall Photovoltaik Übertragungsnetzbetreiber Überseekabel Amprion 380-kV-Leitung TenneT 380-kV-Leitung (geplant) 50Hertz 220-kV-Leitung TransnetBW Kraftwerke in Betrieb, Stand Februar 2013 Deutsches Höchstspannungsnetz, Stand Feb Kontakt: Datenquelle: Umweltbundesamt Bearbeitung: FG I Energieversorgung und -daten Folie 10

11 Wohngebäude Speicherpotenzial Bausubstanz im Einzelgebäude Einfache Abschätzung und Potenzialanalyse unter Berücksichtigung von: Konkreten Gebäudedaten (Bauphysik) Anlagentechnik (Auswirkungen der Betriebsweise auf Auslegung und Effizienz) Endenergieverbrauch (Kopplung thermische-elektrische Bilanz) Einbindung in Planung und/oder Energieberatung Nutzung Thermischer Speichereffekte a) als Leistungsspeicher fu r Regelleistung (Sekunden- und Minutenbereich) und andere netzstabilisierende Systemdienstleistungen bereit. b) als Verschiebespeicher (Minuten bis Stunden) Für Ausnutzung der täglichen Differenzen zwischen Hoch- und Niedrigpreisen zur betriebswirtschaftlichen Optimierung. (in Anlehnung an Thesenpapier 4.EEG Dialogforum) Folie 11

12 Wohngebäude Nutzung Gebäudespeicher Beispiel Kühlung 1-3 Vorkühlstufen (Beladen Gebäudespeicher) 4 Temperaturanstieg (Entladen Gebäudespeicher) 5 Nachtbetrieb ASHRAE Research Project 1313-RP: Evaluation of Building Thermal Mass Savings. Final Report Folie 12

13 Thermische Aktivierung der Bausubstanz Fragen: Wie viel m 2 TABS ist in deutschem Gebäudebestand verbaut? Nachrüstung sinnvoll? (z.b. Kapillarrohrmatten) Folie 13

14 Nutzung der Gebäudekonstruktion / Bauwerksmasse direkt Thermisch aktivierte Bauteilsysteme (TABS, BKA, BTA) Luft und wasserbasierte Systeme (Decke, Wand, Fußboden) Heizung und Kühlung G. Braham: Mechanical Ventilation and Fabric Thermal Storage; Indoor Built Environment, 2000;9, ) Kalz/Pfaffenrott/Herkel; Fraunhofer ISE 2009 Folie 14

15 Nutzung der Gebäudekonstruktion / Bauwerksmasse direkt Anwendung beispielhaft Lastverschiebung (elektrisch: WP, KM) Lastspitzenkappung (elektrisch: WP, KM) Nutzung natürlicher Potentiale (z.b. Nachtlüftung) Bilder: Kiefer Folie 15

16 Location in [m] Location in [m] Location in [m] Location in [m] Location in [m] Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung Nutzung der Gebäudekonstruktion / Bauwerksmasse direkt Beispiel: Aktivierung gedämmter Wandkonstruktionen Rohrleitung Wärmedämmung Temperatur 0 [d] Location in [m] Temperatur [d] Location in [m] Temperatur [d] Location in [m] Temperatur [d] Location in [m] Temperatur [d] Location in [m] Bilder: TUD, IBK Folie 16

17 Nichtwohngebäude Klassifizierung Übernahme aus Wohnbereich...andere Abschätzungen Folie 17

18 Nichtwohngebäude/Gewerbe Beispiel Lebensmittel-Discounter Folie 18

19 Nichtwohngebäude Speicherpotenzial Eissporthallen Eissporthallen: Anzahl ca. 230 Gesamteisfläche m 2 Speicherpotenzial 0, TWh/K Randbedingungen: Randbedingung Erläuterung Temperaturbereich Eis 7 K (-1 bis -8 C) Spezifische Wärmekapazität 2060 J/(kg K) Dichte von Eis 917 kg/m 3 Dicke der Eisfläche 5 cm (2 bis 8 cm) Absolutes Speicherpotenzial: 0,00009 TWh Folie 19

20 Nichtwohngebäude Speicherpotenzial Schwimmbäder Schwimmbäder: Hallenbäder Freibäder Anzahl Gesamtwasservolumen m m 3 Speicherpotenzial 0,002 TWh/K 0,008 TWh/K Randbedingungen: Randbedingung Hallenbäder Freibäder Temperaturbereich Wasser 8 K (25 bis 33 C) 6 K (24 bis 30 C) Spezifische Wärmekapazität 4200 J/(kg K) 4200 J/(kg K) Dichte von Wasser 995,9 kg/m 3 (bei 29 C) 996,5 kg/m 3 (bei 27 C) Mittlere Wassertiefe 1,35 m 1,35 m Absolutes Speicherpotenzial: Hallenbäder 0,0155 TWh Freibäder 0,0517 TWh Folie 20

21 Einbindung der Akteure Gebäudebetreiber: Versorgungssicherheit gewährleisten Technische Machbarkeit / Grenzen (Vorhersagen, Lastwechsel) Kosten/Nutzen-Analyse Energieversorger: Anreize und Tarifstrukturen schaffen Verbraucherseitiges Lastmanagement (Informationsfluss) Abrechenbarkeit Nutzer: Kosten/Nutzenanalyse Keine Einschränkung von Verhaltensmuster (Robustheit) Planer: Potentialabschätzung Kenntnisse zur technischen Realisierung (u.a. auch IKT, MSR) Folie 21

22 Folie 22