Speicher in Gebäuden und Quartieren. Dr. Kristina Orehounig Urban Energy Systems Laboratory, Empa

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1 Speicher in Gebäuden und Quartieren Dr. Kristina Orehounig Urban Energy Systems Laboratory, Empa

2 Ausgangslage Gebäude haben grossen Anteil am nationalen Endenergieverbrauch 2

3 CO2 Intensität [g CO2 eq/kwh] Integration von Erneuerbaren Energieträgern Ausgangslage und Zielsetzung für Gebäude 300 Gebäudebestand Steigerung der Energie Effizienz Energie Intensität [kwh/(m2*a)] Quelle Daten: Prognos

4 Problem mit erneuerbare Energieträger Stündliche Betrachtung Jährliche Betrachtung Wir brauchen in Zukunft Speichertechnologien sowohl für die Kurzzeit als auch Langzeit Speicherung 4

5 Urbane Energiesysteme Optimierung Energiesystem Boundary conditions Energiepotential Costs All solutions Common practice Pareto Front Energy scenario Configurations Gebäudedaten Simulation Energy hub Optimisation Target or threshold value CO 2 Emissions Energieverbrauch Business models

6 Optimierung Energiesystem Electricity Electricity Wind Water Solar Wind turbine Small Hydro Plant PV Electrolyser H 2 storage Fuel cell NG CHP Microturbine Battery Natural gas Solar thermal Methanation NG Boiler Natural gas Hot water Wood/Biomass Waste Chilled water Boiler CHP Heat pump Chiller Welche Energieträger, Umwandlung und Speichertechnologien Hot water Hot water storage sollen integriert Absorption chiller werden (z.b. PV, Wärmepumpen, ) Wie sollen diese Technologien ausgelegt Ice werden? storage Wie sollen diese Technologien betrieben Chilled water werden? Renewable source Network Storage Conversion technology Electricity Hot water Chilled water Natural gas (NG) Hydrogen (H 2 ) Synthetic natural gas (SNG)

7 Inhalt Präsentation Speichersysteme, Anwendung und Verfügbarkeit Kurzeitspeicherlösungen im Quartier Saisonspeicher im Quartier Kombination von Speicherlösungen Zukunftsszenarien 7

8 Was für Speicher gibt es? Lithium-Eisenphosphat- bzw. Elektrische Cobaltoxid-Akkumulator Technologie Speicherart Speichermedium elektrische Speicher Blei-Säure-Akkumulator elektrochemisch Blei, Natrium-Nickelchlorid- Wärmespeicher elektrochemisch Schwefelsäure Lithium, Eisenphosphat bzw. Cobaltoxid Speicherdauer Tagesspeicher 0.9 Tagesspeicher 0.95 Round trip efficiency elektrochemisch Natrium-NiCl Tagesspeicher 0.8 Akkumulator Redox-Flow-Akkumulator elektrochemisch Vanadium Tagesspeicher & 0.8 Saisonspeicher H 2 -Druckspeicher Elektrolyseur/Brennstoffzelle chemisch Wasserstoff Saisonspeicher 0.4 el. 0.6 th. thermische Speicher Wasserspeicher (Metall/Kunststoff) Erdsondenspeicher Natronlaugenspeicher (Sorptionswärmespeicher mit Natronlauge) Natriumacetat Latentwärmespeicher thermisch (sensibel) Wasser Saisonspeicher (Hybridspeicher) thermisch Erdreich Saisonspeicher (sensibel) (Hybridspeicher) thermochemisch Natronlauge Saisonspeicher (Hybridspeicher) thermisch (sensibel und latent) Natriumacetat Tagesspeicher 0.4 8

9 Stromspeicher im Quartier 9

10 Integration dezentraler Energieträger Gemeinde Zernez Energieneutrale Gemeinde Gebäudebetrieb CO 2 neutral Project partners: Zernez Energia 2020 Industry: 10

11 Integration von PV und Batterien Analyse Solarpotenzial Kostenoptimierung Fragestellungen: Prozentsatz Energieautonomität Grösse Batterien Einfluss des Stromnetzes und Einspeisetarif Kosten PV... Grid Abdeckung Strombedarf 11 Mavromatidis, G., Orehounig, K., Carmeliet, J. (2015) Evaluation of photovoltaic integration potential in a village Solar Energy online.

12 Integration von PV und Batterien Analyse Solarpotenzial Integration PV Kostenoptimierung Integration Batteriespeicher PV Grid... Abdeckung Strombedarf Erhöhung Anteil dezentraler Energieträger (Energieautonomität) 12

13 Integration von PV und Batterien 13

14 Stündlicher Betrieb des Energiesystems 14

15 Thermische Speicher im Quartier 15

16 Rheinfelden Energieverbrauch: 11 Wohngebäude (EFH, MFH) 192 Bewohner Heizwärmebedarf: SH: 160 MWh/a, DHW: 92 MWh/a (Renoviert nach SIA 380/1 standard) Solarpotenzial Gebäudeintegriert - Solar Thermal Flat plates 80% der Flachdächer; 50% geneigter Dachflächen 16

17 Speicher Konfigurationen Gebäudeebene + Electric heater Quartiersebene 17

18 SF Solar Anteil Solar Fraction (SF) SF = Demand Supplied by Solar Total Demand

19 Systemkosten 19

20 Systemkosten Sensitivitätsanalyse Bei steigenden Stromkosten wird Speicherlösung interessant 20

21 Kombination von Speicherlösungen 21

22 Kombination Kurzzeit und Langzeit- Speicher 1 3 2

23 Verbrauch Potenzial Erneuerbare Energieträger Erneuerbare Energieträger - Energieverbrauch Potenzial für PV, Wind und Wasserkraft 23

24 Energie Autonomität [%] Kombination Kurzzeit und Langzeit- Speicher 4 Speicher Konfigurationen Ref Batterie TES P2G P2G+Bat+TES Szenarien P2G: Power to gas; TES: Thermischer Speicher Erhöhung des Anteil an dezentralen Energieträgern durch Langzeit- Speicherlösungen 24 Murray, P., Omu, A., Orehounig, K., Carmeliet, J. (2017) 'Power-to-gas for Decentralized Energy Systems: An Energy Hub Assessment for Hydrogen Storage' Int. Building simulation conference 2017, August 2017, San Francisco, USA.

25 Kombination Kurzzeit und Langzeit- Speicher 25

26 Zukunftsszenarien 26

27 Verbrauch Potenzial Zukunftsszenarien: P2G Erneuerbare Energieträger - Energieverbrauch Potenzial für PV, Wind und Wasserkraft Reduktion Energieverbrauch von 2015 zu

28 Zukunftsszenarien: P2G Ziel

29 Schlussfolgerung Optimale Nutzung von dezentralen Energieträgern erfordert Kurzzeit- und Langzeitspeicherlösungen Batteriespeicher zum Ausgleich von täglichen Schwankungen, bei höherem Anteil an lokaler Energieproduktion Langzeit-Speicherlösungen nur sinnvoll einsetzbar wenn der Energieverbrauch reduziert wird Evaluation der Vor- und Nachteile von zentralen oder dezentralen Speicherlösungen im Quartier notwendig P2G Lösungen reduzieren CO 2 Emissionen, sind jedoch derzeit sehr kostenintensiv und nur sinnvoll bei einem hohen Anteil 29 lokaler Energieproduktion

30 Speicher in Gebäuden und Quartieren Dr. Kristina Orehounig Urban Energy Systems Laboratory, Empa

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