Intelligentes Gebäudemanagement als Baustein der Energiewende Flexibilisierung von Strombezug und Wärmeerzeugung

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1 Technische Universität München Smart Buildings Digital lenken. Klimaschutz denken. Intelligentes Gebäudemanagement als Baustein der Energiewende Flexibilisierung von Strombezug und Wärmeerzeugung Dipl.-Ing. Florian Sänger IHK Akademie München, 18. Mai 2017 Prof. Dr. -Ing. U. Wagner

2 Inhalt Energieverbrauch in Deutschland Ziele aus dem Energiekonzept der Bundesregierung Maßnahmen/Handlungsfelder: 1. Nutzenergiebedarf senken 2. Power-to-Heat-Potenziale - Gebäude als Wärmespeicher 3. Netzdienlicher Einsatz von Brennstoffzellen 4. Micro-Market für Smart Communities 5. Energieautarke Elektromobilität im Smart-Micro-Grid Fazit 2

3 Endenergieverbrauch in Deutschland 2012 Raumwärme 28,5 % 2,5 sonst. 1,2 1,6 Prozesswärme 21,4 % 18,5 18,6 Warmwasser 5,2 % IuK 2,3 % 7,4 End- Energie 2500TWh = 100 % 4,1 0,8 0,3 Klimakälte 6,3 0,4 % 2,4 Prozesskälte 1,8 % 28,1 Beleuchtung 3,4 % mech. Energie 37,0 % D D Industrie Haushalte D Verkehr Gewerbe, Handel, Dienstleistung (GHD) Copyright 2014, IfE/TU München Datenquelle: AGEB, IfE/TUM, FhG-ISI, RWI 3

4 Energiekonzept der Bundesregierung Burdesministe1ium 1:1 '... nje,,steriun [lr\'tli,tschatt hir Umwelt 'Jaturachutz tnd 1ochro1Jgic Jnd Hc.if;to 1skherh~ 1 28 Ziele bis 2050, unter anderem: 50% weniger Primärenergie ggü % Anteil EE am Endenergieverbrauch 80% weniger THG-Emissionen ggü % Stromanteil Kraft-Wärme-Kopplung 25% weniger Stromverbrauch ggü a. septem11erzo10 4

5 Die Energiewende in den Sektoren e"q Quelle. Zeitreihen zur Entwicklung der EE m Deutschland, BMWi, Februar 2016 Endenergieverbrauch nach Sektoren in TWh 5

6 1. Nutzenergiebedarf senken 150 m² Wohnfläche, Energiebedarf kwh/a (~3.000 l/a Heizöl) Dämmung: 50 % CO 2 -Einsparung 4,5 t CO 2 /a Ersatz Ölheizung mit Wärmepumpe: 33 % CO 2 -Einsparung 9 t CO 2 /a 3 t CO 2 /a Ersatz Ölheizung mit Wärmepumpe: 33 % CO 2 -Einsparung 6 t CO 2 /a Dämmung: 50 % CO 2 -Einsparung Der obere Pfad ist kostengünstiger, da die Wärmepumpe kleiner ausgelegt werden kann Die CO 2 -Emissionen der Wärmepumpe sind stark vom Strommix abhängig Quelle: FFE 6

7 2. Power-to-Heat-Potenziale - Gebäude als Wärmespeicher von bisher verbrauchsorientierter Erzeugung zum erzeugungsorientierten Verbrauch Ausgangslage: Bisher konnte gezeigt werden, dass eine stärkere Kopplung von Strom- und Wärmesektor technisch umsetzbar ist und dass Vorteile für beide Seiten entstehen. Das Potenzial flexibler Gebäude wurde bisher noch nicht quantifiziert. 7

8 2. Power-to-Heat-Potenziale - Gebäude als Wärmespeicher Forschungsfrage: Methode: Wie hoch ist das Power-to-Heat-Potenzial von Gebäuden als Wärmespeicher im Kontext der zukünftigen Energieversorgungsstruktur in Deutschland Gekoppelte Simulation von Gebäuden, Modellprädiktive Regelung und Lastgänge 2 IMAKUS Preis.,oo *0 20,IS 20SO Gebäudemodelle Modellprädiktive Energiesystem- Regelung optimierung 8

9 3. Hochtemperatur- Brennstoffzellen zur Gebäudeversorgung Max. Leistung zwischen 0,7 bis 1,5 kw el, teilweise modulierbar 33-60% elektr. und 25-60% thermischer Wirkungsgrad Zusätzlicher Wärmeerzeuger benötigt Mit KfW 433 & KWKG Förderung teilweise wirtschaftlich im EFH Meist wärmegeführte Betriebsweise Stromnetz: als Puffer 3. Mehrwert: Netzdienlicher Einsatz von Brennstoffzellen Wärmepumpe als zusätzlicher Wärmeerzeuger um thermische Last zu decken und gleichzeitig mehr Flexibilität zu erreichen BZ-Leistung ist zwischen 0,5 und 1,5 kw el modulierbar Max. 25% thermischer und 60% elektrischer Wirkungsgrad Betriebsweise orientiert sich an Börsenstrompreis Stromnetz: als Puffer Austausch von Regelenergie 9

10 3. Netzdienlicher Einsatz von Brennstoffzellen Verhalten von BZ und WP in Abhängigkeit des Strompreises Mögliche Bereitstellung von 1 kw und ca kwh positiver Regelleistung/-energie pro EFH Mögliche Bereitstellung von ca. 15% der ausgeschriebenen Regelleistung in Deutschland Verschiebung von ca. 10% des Wärmestroms als negative Regelenergie Einsparung von ca. 20% des Wärmestroms und ca. 1/3 der Stromkosten 10

11 4. Micro-Market als Zusammenschluss von Smart Homes CHP WP KWK CHP Micro- Market KWK CHP KWK CHP ~ ~ CHP WP Eine Smart Community ist ein lokaler Micro-Market, der automatischen Energiehandel zwischen Smart Homes ermöglicht. Zudem handelt der Micro-Market mit anderen Micro-Markets oder Regionalen Märkten im Netz. Der Micro-Market umfasst Wärme Strom 11

12 4. Was sind Vorteile eines Micro-Market? Regionaler Markt Datenschutz: Der Micro-Market erhält von den Smart Homes nur Kauf- oder Verkaufsgebote, ohne Lastprofile Datenschhutz Lokale Preissignal Micro-Market Gebote Aus Angebot und Nachfrage bildet der Micro-Market ein lokales Preissignal für die Smart Community Smart Home 12

13 5. Energieautarke Elektromobilität im Smart-Micro-Grid Forschungsfrage schaufenster elektromobilität Entwicklung und Implementierung eines hierarchischen und verteilten Energiemanagementkonzepts Bewertung des ökologischen Nutzens einer Kombination aus Elektrofahrzeug und lokaler Energieerzeugung Eil\tlniMNCdtfBIJl\delr~g BMW GROUP Anwendung Implementierung eines Hardwarein-the-Loop Prüfstands zur Analyse und Bewertung des integrierten Energiemanagement-systems (iem) Demonstration dieser Konzepte in einem realen Wohngebäude und einem Plusenergieparkhaus 13

14 5. emobilie - Komponenten und Anlagenkonfiguration Photovoltaik DC/A(;. Wa 1dler fror:kri er E EKTRISCHER SPBCHER ~~ tj e.l. GnJl"ldl-<1 st AC/DCW n ler THERMISCHES NITZ 5 ss 0 ' ~tz Wärmepumpe Elektrofa rzellg 14

15 5. Kosteneinsparpotentiale durch Energiemanagement Kosteneinsparungspotentiale [%] 30% 25% 20% 15% 10% 5% Gebäudestandard: EnEV2012+ Photovoltaik: 7 kwp Elektrischer Speicher: 10 kwh Fahrprofil: Pendler Stromtarif: variabel TUM IfE F16 * Hausenergiemanagement 0% DSM - Geräte Elektrofahrzeug Batterie Wärmepumpe HEMS* Komponenten 15

16 Fazit Durch die Kopplung von Strom- und Wärmesektor profitieren beide Seiten Energieverbrauch in TWh Eigene Berechnung auf Basis von: BMWI, AGEB, statista.com Raumwärme konventinell Raumwärme erneuerbar Raumwärme elektrisch Stromverbrauch ohne Raumwärmeerzeugung TUM IfE B16 Chancen: Ein großer Teil der Raumwärme kann durch Strom aus erneuerbaren Energiequellen gedeckt werden Gebäude mit intelligenten Heizungssystemen können das Stromsystem unterstützen Aufgaben: Forschung und Entwicklung, vorranging im Bereich digitale Koppelung von Gebäuden und Stromnetz und Datensicherheit Schaffung von Anreizsystemen, wie zum Beispiel flexibler Strompreise für Endkunden 16

17 Technische Universität München Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr. -Ing. U. Wagner