Andreas Meier Hochschule Rosenheim. Betreuer: Prof. Mike Zehner; Prof. Oliver Mayer. Andreas Meier 1

Simulation der Energiewende im Gemeindegebiet von Ottobrunn anhand verschiedener Ausbaustufen von Photovoltaik oder anderer regegenerativer Energieträger für ein repräsentatives Teilgebiet Andreas Meier Hochschule Rosenheim Betreuer: Prof. Mike Zehner; Prof. Oliver Mayer Andreas Meier 1

Gliederung 1. Einleitung und Motivation 2. Verwendete Daten für die Simulation 3. Kennwerte für die Auswertung der Simulation 4. Lastprofil des Teilgebietes von Ottobrunn 5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn 5.1 bei aktuellem Ausbaugrad der Photovoltaik 5.2 bei optimalen Ausbaugrad der Photovoltaik 5.3 bei optimalen Ausbaugrad der Photovoltaik 6. Lastprofil eines fiktiven Einfamilienhauses 7. Simulation eines fiktiven Einfamilienhauses 7.1 bei aktuell durchschnittlich installierter Photovoltaik Leistung 7.2 bei optimal durchschnittlich installierter Photovoltaik Leistung 7.3 bei optimal durchschnittlich installierter Photovoltaik Leistung 8. Fazit und Ausblick Andreas Meier 2

1. Einleitung und Motivation Aus dem Netz bezogener Strom für Haushalte in Deutschland deutlich teurer als Einspeisevergütung nach EEG Netzparität wurde im Jahr 2011 erreicht - Einspeisung von PV-Strom bringt demzufolge keinen Gewinn gegenüber bezogenen Strom für Haushalte - Unabhängigkeit der Verbraucher durch Eigenerzeugung von Strom gewinnt an Attraktivität Strompreis in ct/kwh 40 30 20 10 0 Vergleich des Strompreises für private Haushalte mit der Einspeisevergütung für Photovoltaik laut EEG 2010 2011 2012 2013 2014 Jahre Erzeugung, Transport, Vertrieb Konzessionsabgabe KWK-Aufschlag Solarstromvergütung MwSt. EEG-Umlage Stromsteuer Quelle: Kempmann, Johannes (2016): Erneuerbare Energien und das EEG: Zahlen, Fakten, Grafiken. Berlin. S.56; eigene Darstellung Andreas Meier 3

2. Verwendete Daten für die Simulation Generierung eines synthetischen Wetterfiles mit der Software METEONORM 7 von Meteotest - Lufttemperatur - Windgeschwindigkeit - direkte Globalhorizontalstrahlung - diffuse Globalhorizontalstrahlung Kennwerte der Photovoltaik-Module Wirkungsgrad 15,30% Faktor für Diffuswirkungsgrad 0,5 [2.1] Referenztemperatur 25 C [2.2] NOCT Temperatur 45 C [2.3] therm. Eta-Reduktion 0,5 %/K [2.4] Reflexionskoeffizient der Umgebung 0,2 [2.5] Simuliert wurde mithilfe der Software ExtendSim 7 von Imagine That Inc. (Stundenwerte) [2.1] Quelle: Solarwatt (2017): [https://www.solarwatt.de/pro/media/downloads/pv-module; 30.04.2017] [2.2] Quelle: Quaschning, Volker (2015): Regenerative Energiesysteme. Technologie - Berechnung Simulation. Hanser. S.226 [2.3] Quelle: Quaschning, Volker (2015): Regenerative Energiesysteme. Technologie - Berechnung Simulation. Hanser. S.207 [2.4] Quelle: Solarwatt (2017): [https://www.solarwatt.de/pro/media/downloads/pv-module; 30.04.2017] [2.5] Quelle: DKRZ, Deutsches Klimarechenzentrum (2017): [https://www.dkrz.de/about/media/galerie/vis/obs/albedo; 30.04.2017] Andreas Meier 5

3. Kennwerte für die Auswertung der Simulation Autarkiegrad: Verhältnis von selbst erzeugten Strom zum gesamten Jahreshaushaltsstromverbrauch. Eigenverbrauchsquote: Verhältnis aus selbst verbrauchtem PV-Strom zum gesamt erzeugten PV-Strom der eigenen PV-Anlage. Größte Überschussleistung: Leistung an Strom, die zusätzlich zur Verfügung steht und nicht lokal verwendet werden kann. Größtes Leistungsdefizit: Leistung an Strom, die zu der Deckung der aktuellen Nachfrage zusätzlich benötigt werden würde. Andreas Meier 7

3. Kennwerte für die Auswertung der Simulation Zusammenhang von Eigenverbrauchsquote und Autarkiegrad in Abhängigkeit der installierten Photovoltaik-Leistung (idealisierte Darstellung) Autarkiegrad Hohe Eigenverbrauchsquote Niedriger Autarkiegrad Eigenverbrauchsquote Niedrige Eigenverbrauchsquote Hoher Autarkiegrad Andreas Meier 8

4. Lastprofil des Teilgebietes von Ottobrunn Ausgewähltes und in der Simulation betrachtetes Teilgebiet von Ottobrunn Putzbrunner Str. Knapp 2.200 Gebäude befinden sich in dem Teilgebiet Rosenheimer Landstraße Mozartstraße Ottostraße 1.150 Gebäude sind für eine Nutzung durch Photovoltaik geeignet (Gebäude die mehr als 90 von reiner Südausrichtung abweichen werden nicht berücksichtigt) Andreas Meier 10

4. Lastprofil des Teilgebietes von Ottobrunn Stromlastgänge von Ottobrunn bilden die Basis Nur Verbraucher die per Standardlastprofil (SLP) erfasst werden, werden berücksichtigt - Beschränkung auf Haushalte - Annahme, dass alle Gebäude, die durch SLP erfasst werden Haushalte sind und ein entsprechendes Lastprofil aufweisen Stromverbrauch der privaten Haushalte des Teilgebietes: 14.392 MWh/Jahr Strombedarf durch Standardlastprofil H0 [4.1] auf ein Jahr verteilt [4.1] Quelle: Stadtwerke Unna (Hg.) (2002): VDEW-Lastprofile. H0: Haushalt allgemein. [https://www.sw-unna.de/; 29.03.2017] Andreas Meier 11

4. Lastprofil des Teilgebietes von Ottobrunn 4000 Stromnachfrage der privaten Haushalte des Teilgebietes nach dem Standardlastprofil im Jahr 2015 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1 210 419 628 837 1046 1255 1464 1673 1882 2091 2300 2509 2718 2927 3136 3345 3554 3763 3972 4181 4390 4599 4808 5017 5226 5435 5644 5853 6062 6271 6480 6689 6898 7107 7316 7525 7734 7943 8152 8361 8570 Stromnachfrage in kw Uhrzeit in h Andreas Meier 12

5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn 5.1 bei aktuellem Ausbaugrad der Photovoltaik Kataster der Energymap.info als Datengrundlage [5.1] Installierte Leistung der Photovoltaik beläuft sich auf 252,3 kw Annahme: 10 m 2 für 1 kw installierte Leistung Installierte Modulfläche beträgt 2.523 m 2 Angaben zu Ausrichtung und Dachneigung stammen aus Solarkataster der Gemeinde Ottobrunn Installierte PV-Leistung in kw 252,3 Strombedarf der Haushalte des Teilgebietes in MWh 14.392,0 Stromerzeugung der Photovoltaik in kwh 253.961,0 [5.1] Quelle: EnergyMap.info (Hg.) (2015): EEG-Strom. [http://www.energymap.info/energiere-gionen/de/105/111/166/225/22267.html; 29.03.2017] Andreas Meier 14

5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn 5.1 bei aktuellem Ausbaugrad der Photovoltaik Leistung in kw 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Vergleich Stromerzeugung durch Photovoltaik mit der Stromnachfrage der Haushalte des Teilgebietes bei aktuellem Ausbaustand (Stand 2015) 1 259 517 775 1033 1291 1549 1807 2065 2323 2581 2839 3097 3355 3613 3871 4129 4387 4645 4903 5161 5419 5677 5935 6193 6451 6709 6967 7225 7483 7741 7999 8257 8515 Uhrzeit in h Strombedarf der Haushalte Stromerzeugung der PV-Anlagen Andreas Meier 15

5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn 5.1 bei aktuellem Ausbaugrad der Photovoltaik Autarkiegrad Verhältnis von 253.961 kwh/jahr zu 14.393 MWh/Jahr -> 1,8 % 253.961 Strombedarf der Haushalte in kwh PV- Stromerzeugung in kwh Eigenverbrauchsquote Nachgefragte Leistung liegt weit über der durch Photovoltaik eingespeisten Leistung (auch in den Sommermonaten) -> 100 % Größte Überschussleistung ist eigentlich ein Defizit -540,3 kw Größtes Leistungsdefizit -3.418,0 kw 14.393.224 Andreas Meier 16

5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn 5.2 bei optimalen Ausbaugrad der Photovoltaik Solarkataster der Gemeinde Ottobrunn als Datengrundlage Installierte Leistung der Photovoltaik beläuft sich auf 5.670 kw (Belegungsgrad 70 % [5.2] ) Annahme: 10 m 2 für 1 kw installierte Leistung Installierte Modulfläche beträgt 56.700 m 2 Ausrichtung und Neigung der Dachflächen mussten teilweise mit einer Zufallszahl bestimmt werden Strombedarf der Haushalte in kwh 14.393.224 Einspeisung der Photovolatik in kwh 5.619.095 Direkt Nutzbare PV-Energie in kwh 4.204.422 Nicht direkt nutzbare PV-Energie in kwh 1.414.673 [5.2] Quelle: Lee, Eung-Jik (2000): Untersuchung der Anwendungsmöglichkeiten von Photovoltaik an Gebäuden; Dortmund Andreas Meier 18

5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn 5.2 bei optimalen Ausbaugrad der Photovoltaik Ausschnitt aus dem Solarkataster der Gemeinde Ottobrunn Andreas Meier 19

5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn 5.2 bei optimalen Ausbaugrad der Photovoltaik 4000 7000 Vergleich Stromerzeugung durch Photovoltaik mit mit der der Stromnachfrage der der Haushalte privaten des Haushalte Teilgebietes des bei Teilgebietes aktuellem bei Ausbaustand optimalen (Stand Ausbauzustand 2015) 3500 6000 3000 5000 2500 4000 2000 3000 1500 2000 1000 1000 500 0 0 1 215 1 429 259 643 517 857 775 1071 1033 1285 1499 1291 1713 1549 1927 1807 2141 2065 2355 2323 2569 2783 2581 2997 2839 3211 3097 3425 3355 3639 3613 3853 3871 4067 4281 4129 4495 4387 4709 4645 4923 4903 5137 5161 5351 5565 5419 5779 5677 5993 5935 6207 6193 6421 6451 6635 6709 6849 7063 6967 7277 7225 7491 7483 7705 7741 7919 7999 8133 8347 8257 8561 8515 Leistung in in kw kw Uhrzeit in in h h Strombedarf Strombedarf der der Haushalte Stromerzeugung der der PV-Anlagen PV-Anlagen Andreas Meier 20

5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn 5.1 bei aktuellem Ausbaugrad der Photovoltaik Autarkiegrad Verhältnis von 4.204.422 kwh/jahr zu 14.393 MWh/Jahr -> 29,2 % 4.204.422 253.961 14.393.224 14.393.224 Strombedarf der Haushalte Strombedarf in kwhder Haushalte in kwh PV- Direkt Nutzbare PV- Stromerzeugung Energie in kwh in kwh Eigenverbrauchsquote Angebot durch Photovoltaik liegt v.a. in den Sommermonaten weit über nachgefragter Leistung Annahme: Leistung bis zu aktueller Nachfrage kann lokal verwendet werden -> 74,8 % Größte Überschussleistung 3.850,7 kw Größtes Leistungsdefizit -3.418,0 kw Andreas Meier 21

5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn 5.3 bei optimalen Ausbaugrad der Photovoltaik Solarkataster der Gemeinde Ottobrunn als Datengrundlage Installierte Leistung der Photovoltaik beläuft sich auf 5.670 kw (Belegungsgrad 70 %) 4.204.422,0 kwh/jahr können direkt ohne Speicher verbraucht werden Strombedarf Teilgebiet in kwh 14.393.224,0 Stromerzeugung der Photovoltaik in kwh 5.619.095,0 Direkt nutzbare PV-Energie in kwh 4.204.422,0 Nicht direkt nutzbare PV-Energie in kwh 1.414.673,0 Andreas Meier 23

5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn 5.3 bei optimalen Ausbaugrad der Photovoltaik 7000 4500 6000 4000 3500 5000 3000 4000 2500 3000 2000 2000 1500 Leistung in in kw 1000 500 0 0 Vergleich Überschuss Stromerzeugung an Photovoltaik-Leistung durch Photovoltaik nach Deckung mit der Stromnachfrage der aktuellen der Haushalte des Nachfrage Teilgebietes für das bei optimalen Teilgebiet Ausbauzustand 1 1 221 259441 517661 775881 10331101 12911321 1541 1549 1761 18071981 20652201 23232421 25812641 28392861 3097 3081 3301 3355 3521 36133741 38713961 41294181 43874401 46454621 4841 4903 5061 51615281 54195501 56775721 59355941 61936161 6451 6381 6601 67096821 69677041 72257261 74837481 77417701 79997921 8141 8257 8361 85158581 Uhrzeit in h Strombedarf der Haushalte Uhrzeit Stromerzeugung in h der PV Anlagen Andreas Meier 24

5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn 5.3 bei optimalen Ausbaugrad der Photovoltaik Eigenschaften des Akkumulators Selbstentladungsrate: 11,4 % pro Jahr [5.2] Lade- und Entladeeffizienz: 98 % [5.3] Variation des Speicherinhaltes von 1.000 kwh 25.000 kwh (speicherspezifische Kennwerte werden unabhängig von der Größe des Speichers verwendet) [5.2] Quelle: Elektronik Kompendium (2017). [http://www.elektronik-kompendium.de/si-tes/bau/0810281; 29.03.2017] [5.3] Quelle: CARMEN-EV (2017). [https://www.carmen-ev.de/sonne-wind-co/stromspei-cher/batterien/315-akkutypen/651-lithium-ionen-akkumulatoren; 02.04.2017] Andreas Meier 25

5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn 5.3 bei optimalen Ausbaugrad der Photovoltaik Leistung in kw 4000 3000 2000 1000 0-1000 -2000-3000 -4000-5000 Lade- und Entladeverhalten des 21.000 kwh - Akkumulators 1 259 517 775 1033 1291 1549 1807 2065 2323 2581 2839 3097 3355 3613 3871 4129 4387 4645 4903 5161 5419 5677 5935 6193 6451 6709 6967 7225 7483 7741 7999 8257 8515 Uhrzeit in h negative Werte: Speicher wird durch Photovoltaik geladen positive Werte: Abgegebene Leistung des Akkus an das Teilgebiet Andreas Meier 26

5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn 5.3 bei optimalen Ausbaugrad der Photovoltaik 25000 4000 Lade- und Speicherinhalt Entladeverhalten des 21.000 des 21.000 - kwh Akkumulators kwh - Akkumulators 3000 20000 2000 1000 15000 0-1000 10000-2000 -3000 5000 Wintermonate: Selten hoher Auslastungsgrad Sommermonate: Häufiger vollständige Lade- und Entladezyklen -4000-5000 0 1 221 1 441 259 661 517 881 775 1101 1033 1321 1541 1291 1761 1549 1981 1807 2201 2065 2421 2323 2641 2581 2861 2839 3081 3301 3097 3521 3355 3741 3613 3961 3871 4181 4129 4401 4387 4621 4645 4841 5061 4903 5281 5161 5501 5419 5721 5677 5941 5935 6161 6193 6381 6601 6451 6821 6709 7041 6967 7261 7225 7481 7483 7701 7741 7921 7999 8141 8361 8257 8581 8515-5000 Uhrzeit in in h h Andreas Meier 27 Leistung in in kw kw

5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn 5.3 bei optimalen Ausbaugrad der Photovoltaik Eigenverbrauchsquote Bestehend aus direkt genutzter Energie und dem Teilgebiet durch den Speicher zur Verfügung gestellten Energiemenge Direkt genutzte Energie unabhängig von Speicher (4.204.422 kwh/jahr) Durch Speicher genutzte Energiemenge von Speichergröße abhängig Speicher durch Akku genutzte Energie in kwh ges. genutzte Energie in kwh 1.000 kwh 171.373,0 4.375.795,0 3.000 kwh 419.264,2 4.623.686,2 5.000 kwh 619.811,1 4.824.233,1 7.000 kwh 786.969,8 4.991.391,8 9.000 kwh 922.855,9 5.127.277,9 11.000 kwh 1.033.825,1 5.238.247,1 13.000 kwh 1.116.331,4 5.320.753,4 15.000 kwh 1.175.398,1 5.379.820,1 17.000 kwh 1.218.208,3 5.422.630,3 19.000 kwh 1.245.361,5 5.449.783,5 21.000 kwh 1.267.223,0 5.471.645,0 23.000 kwh 1.285.740,5 5.490.162,5 25.000 kwh 1.295.883,7 5.500.305,7 Andreas Meier 28

5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn 5.3 bei optimalen Ausbaugrad der Photovoltaik Eigenverbrauchsquote Gesamt durch die Photovoltaik erzeugte Energiemenge: 5.619.095 kwh/jahr Eigenverbrauchsquote in % 100 80 60 40 20 0 Eigenverbrauchsquote des Teilgebietes bei verschiedenen Größen des Akkumulators 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 Speichergröße in MWh Speicher Eigenverbrauchsquote in % 1.000 kwh 77,9 3.000 kwh 82,3 5.000 kwh 85,9 7.000 kwh 88,8 9.000 kwh 91,2 11.000 kwh 93,2 13.000 kwh 94,7 15.000 kwh 95,7 17.000 kwh 96,5 19.000 kwh 97,0 21.000 kwh 97,4 23.000 kwh 97,7 25.000 kwh 97,9 Andreas Meier 29

Autarkiegrad in % 5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn 5.3 bei optimalen Ausbaugrad der Photovoltaik Autarkiegrad Strombedarf der Haushalte des Teilgebietes: 14.393.224,0 kwh/jahr 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Autarkiegrad des Teilgebietes bei verschiedenen Größen des Akkumulators 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 Speichergröße in MWh Speicher genutzte Energie in kwh Autarkiegrad in % 1.000 kwh 4.375.795,0 30,4 3.000 kwh 4.623.686,2 32,1 5.000 kwh 4.824.233,1 33,5 7.000 kwh 4.991.391,8 34,7 9.000 kwh 5.127.277,9 35,6 11.000 kwh 5.238.247,1 36,4 13.000 kwh 5.320.753,4 37,0 15.000 kwh 5.379.820,1 37,4 17.000 kwh 5.422.630,3 37,7 19.000 kwh 5.449.783,5 37,9 21.000 kwh 5.471.645,0 38,0 23.000 kwh 5.490.162,5 38,1 25.000 kwh 5.500.305,7 38,2 Andreas Meier 30

5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn 5.3 bei optimalen Ausbaugrad der Photovoltaik Größte Überschussleistung Wert an Leistung, der nicht direkt genutzt und auch nicht durch den Akkumulator aufgenommen werden kann Über ein breites Spektrum an Speichern nahezu unverändert Ab 49.529,7 kwh Speicherinhalt keine Überschussleistung mehr festzustellen Leistung in kw 5000 4000 3000 2000 1000 0 Maximale Überschussleistung der Photovoltaik des Teilgebietes für verschiedene Akkumulatorgrößen 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 30 35 40 45 50 Speichergröße in MWh Andreas Meier 31

5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn 5.3 bei optimalen Ausbaugrad der Photovoltaik Größtes Leistungsdefizit Wert an Leistung, der benötigt werden würde, um die Nachfrage zu decken Über ein breites Spektrum an Speichern nahezu unverändert Auch die großen Akkumulatoren weisen keine Verbesserung auf Größtes Leistungsdefizit fällt zu Beginn des Jahres an - Vorteil, der großen Akkumulatoren kann hier noch nicht genutzt werden - Simulation für ein zweites Jahr mit Restspeicherinhalt des Vorjahres könnte Änderung bewirken Größtes Leistungsdefizit: -3.418,04 kw (für alle simulierten Speichergrößen) Andreas Meier 32

5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn Zusammenfassung: Autarkiegrad könnte von derzeit 1,8 % auf knapp 40 % (15.000 kwh Speicherinhalt) gesteigert werden Potenzial von Fassaden- oder Freiflächen wurde noch nicht berücksichtigt Mit einem 15.000 kwh Speicher ist eine Eigenverbrauchsquote von bis zu 95 % möglich 95,7 % 37,4 % Eigenverbrauvhsquote in % 100 80 60 40 20 0 Eigenverbrauchsquote und Autarkiegrad des Teilgebietes bei verschiedenen Größen des Akkumulators 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 Speichergröße in MWh Eigenverbrauchsquote Autarkiegrad 100 80 60 40 20 0 Autarkiegrad in % Andreas Meier 33

5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn Auszug aus dem erstellen Modell des Teilgebietes mit ExtendSim: Andreas Meier 34

5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn Auszug aus dem erstellen Modell des Teilgebietes mit ExtendSim: Andreas Meier 35

6. Lastprofil eines fiktiven Einfamilienhauses Das Lastprofil für das Einfamilienhaus wurde aus zwei (Kapitel 7.1 & 7.2) bzw. drei (Kapitel 7.3) einzelnen Lastprofilen zusammengesetzt Kapitel 7.1 & 7.2 - Standardlastprofil privater Haushalt [6.1] - Standardlastprofil Grundwasserwärmepumpe [6.2] Kapitel 7.3 - Standardlastprofil privater Haushalt [6.1] - Standardlastprofil Grundwasserwärmepumpe [6.2] - Standardlastprofil Elektroauto [6.3] Problematisch: Nachfrage eines realen Einfamilienhauses wird nicht der Nachfrage der Standardlastprofile entsprechen. Diese stellen gemittelte Verbrauchswerte da! [6.1] Quelle: Stadtwerke Unna (Hg.) (2002): VDEW-Lastprofile. H0: Haushalt allgemein. [https://www.sw-unna.de/; 29.03.2017] [6.2] Quelle: Stadtwerke Tübingen (2017). [https://www.swtue.de/geschaeftskunden/netze/netznutzung/standardlastprofile.html; 30.03.2017] [6.3] Quelle: Probst, Alexander; Braun, Martin; Tenbohlen, Stefan: Erstellung und Simulation probabilistischer Lastmodelle von Haushalten und Elektrofahrzeugen zur Spannungsbandanalyse. Hg. v. IEH Uni Stuttgart. Stuttgart. S.3 Andreas Meier 37

Stromverbrauch in kwh pro Jahr 6. Lastprofil eines fiktiven Einfamilienhauses Standardlastprofil privater Haushalt Berücksichtigt den im Haushalt für z.b. Licht benötigten Strom Basiert auf den Stromverbräuchen privater Haushalte je nach Personenzahl 5000 4000 3000 2000 1000 Stromverbrauch je Haushalt nach Haushaltsgröße ohne elektrische Warmwasserbereitung 0 1 2 3 4 5 Anzahl der Personen Quelle: Kempmann, Johannes (2016): Erneuerbare Energien und das EEG: Zahlen, Fakten, Grafiken. Hg. v. BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft. Berlin. S.10 Leistung in kw Andreas Meier 38 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Standardlastprofile für den Stromverbrauch privater Haushalte in Bayern 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324 Uhrzeit in h 1.700 kwh/jahr 3.000 kwh/jahr 3.500 kwh/jahr 4.200 kwh/jahr 4.700 kwh/jahr

6. Lastprofil eines fiktiven Einfamilienhauses Standardlastprofil Grundwasserwärmepumpe Beinhaltet den Strombedarf für die Beheizung de Gebäudes Konstante Grundwassertemperatur von 8 C wird ganzjährig angenommen [6.4] Standardlastprofile wurden basierend auf unterschiedlichen Heizleistungen erstellt Leistung in kw Standardlastprofile für den Stromverbrauch von Grundwasser-WP bei unterschiedlichen Heizleistungen 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324 Uhrzeit in h 6 kw Heizleistung 5 kw Heizleistung 4 kw Heizleistung 3 kw Heizleistung [6.4] Quelle: Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (2017). [http://www.hlnug.de/themen/wasser/grundwasser/grundwassertemperatur/mittlere temperatur.html; 30.03.2017] Andreas Meier 39

6. Lastprofil eines fiktiven Einfamilienhauses Standardlastprofil Elektroauto Verwendet wird ein Ansatz der IEH Uni Stuttgart [6.5] Dieser berücksichtigt u.a. unterschiedliche Ladeleistungen sowie eine Umfrage zur durchschnittlichen Ankunftszeit nach der letzten Autofahrt des Tages Übliche Ladeleistungen für Elektroautos Ladestrom 1x16 A 3x16 A 3x32 A 3x63 A Ladeleitung 3,7 kw 11,0 kw 22,1 kw 43,5 kw Leistung in kw 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Standardlastprofile für den Stromverbrauch von Elektromobilitätslasten bei verschiedenen Ladeleistungen 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Uhrzeit in h 3,7 kw 11,0 kw 22,1 kw 43,5 kw [6.5] Quelle: Probst, Alexander; Braun, Martin; Tenbohlen, Stefan: Erstellung und Simulation probabilistischer Lastmodelle von Haus-halten und Elektrofahrzeugen zur Spannungsbandanalyse. Hg. v. IEH Uni Stuttgart. Stuttgart. S.3 Andreas Meier 40

6. Lastprofil eines fiktiven Einfamilienhauses Lastprofil Kapitel 7.1 & 7.2 Werte der Standardlastprofile des 3-Personen-Haushaltes (3.500 kwh/jahr) und der Grundwasser- Wärmepumpe (2.000 kwh/jahr) werden zu jedem Zeitpunkt des Jahres addiert Gesamte bedarf an Strom beläuft sich auf 5.500 kwh/jahr Andreas Meier 41

6. Lastprofil eines fiktiven Einfamilienhauses Lastprofil Kapitel 7.1 & 7.2 1,2 Stromnachfrage des Einfamilienhauses mit Grundwasserwärmepumpe und Haushaltsstrom für einen ausgewählten Zeitraum 1 0,8 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Stromnachfrage des Einfamilienhauses mit Grundwasserwärmepumpe und Haushaltsstrom für einen ausgewählten Zeitraum 4000 4008 4016 4024 4032 4040 4048 4056 4064 4072 4080 4088 4096 4104 4112 4120 4128 4136 4144 4152 4160 4168 4176 4184 4192 4200 4208 4216 4224 4232 4240 4248 4256 4264 4272 4280 4288 4296 4304 4312 4320 4328 4336 4344 4352 4360 4368 4376 4384 4392 4400 Stromnachfrage in kw 0,6 0,4 0,2 0 4000 4010 4020 4030 4040 4050 4060 4070 4080 4090 4100 4110 4120 4130 4140 4150 4160 4170 4180 4190 4200 4210 4220 4230 4240 4250 4260 4270 4280 4290 4300 4310 4320 4330 4340 4350 4360 4370 4380 4390 4400 Stromnachfrage in kw Uhrzeit in in h h Haushalt Summe Grundwasserwärmepumpe Andreas Meier 42

6. Lastprofil eines fiktiven Einfamilienhauses Lastprofil Kapitel 7.3 Zu den Lastprofilen des 3-Personen-Haushaltes (3.500 kwh/jahr) und der Grundwasser- Wärmepumpe (2.000 kwh/jahr) wird das Elektroauto mit 2.100 kwh/jahr [6.6] hinzuaddiert Das Auto wird im Ladezustand mit 3,7 kw Leistung gespeist Gesamte bedarf an Strom beläuft sich auf 7.600 kwh/jahr [6.6] Quelle: Elektroautos: Marktübersicht/Kenndaten. Hg. v. ADAC Fahrzeugtechnik. München. S.2 Andreas Meier 43

6. Lastprofil eines fiktiven Einfamilienhauses Lastprofil Kapitel 7.3 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Stromnachfrage des Einfamilienhauses mit Grundwasserwärmepumpe, Haushaltsstrom und Elektroauto für einen ausgewählten Zeitraum 4000 4010 4020 4030 4040 4050 4060 4070 4080 4090 4100 4110 4120 4130 4140 4150 4160 4170 4180 4190 4200 4210 4220 4230 4240 4250 4260 4270 4280 4290 4300 4310 4320 4330 4340 4350 4360 4370 4380 4390 4400 Stromnachfrage in kw Uhrzeit in h Summe Elektroauto Haushalt Grundwasserwärmepumpe Andreas Meier 44

7. Simulation eines fiktiven Einfamilienhauses 7.1 bei aktuell durchschnittlich installierter Photovoltaik Leistung Photovoltaikanlage ist nach Süden ausgerichtet und hat eine Neigung von 45 Die aktuell in dem Teilgebiet vorhandene gesamte Leistung an Photovoltaik wurde durch alle Gebäude geteilt, die für eine Nutzung der Photovoltaik in Frage kommen Durchschnittlich installierte Leistung pro Gebäude: 0,34 kw Annahme: 10 m 2 für 1 kw installierte Leistung Installierte Modulfläche beträgt 3,4 m 2 Installierte PV-Leistung in kw 0,34 Strombedarf des EFH in kwh 5500,00 Stromerzeugung der Photovoltaik in kwh 394,00 Andreas Meier 46

7. Simulation eines fiktiven Einfamilienhauses 7.1 bei aktuell durchschnittlich installierter Photovoltaik Leistung 1,2 2 1,8 1 1,6 0,8 1,4 0,6 1,2 1 0,4 0,8 0,6 0,2 0,4 0,2 0 4000 1 4009201 4018401 4027601 4036801 4045 1001 4054 1201 4063 1401 4072 1601 4081 1801 4090 2001 4099 2201 4108 2401 4117 4126 2601 4135 2801 4144 3001 4153 3201 4162 3401 4171 3601 4180 3801 4189 4001 4198 4201 4207 4401 4216 4601 4225 4801 4234 5001 4243 5201 4252 5401 4261 5601 4270 5801 4279 6001 4288 6201 4297 6401 4306 6601 4315 6801 4324 7001 4333 4342 7201 4351 7401 4360 7601 4369 7801 4378 8001 4387 8201 4396 8401 8601 Stromnachfrage Leistung in kw 0 Vergleich Stromerzeugung durch Photovoltaik bei derzeit durchschnittlichen Ausbaustand Stromnachfrage des Einfamilienhauses mit Grundwasserwärmepumpe, mit der Stromnachfrage des EFH Haushaltsstrom und Elektroauto für einen ausgewählten Zeitraum Uhrzeit in h Uhrzeit in h Summe Strombedarf Stromerzeugung PV Summe Elektroauto Haushalt Grundwasserwärmepumpe Andreas Meier 47

7. Simulation eines fiktiven Einfamilienhauses 7.1 bei aktuell durchschnittlich installierter Photovoltaik Leistung Autarkiegrad Verhältnis von 394,00 kwh/jahr zu 5.500 kwh/jahr -> 7,1 % 394 253.961 Eigenverbrauchsquote Nachgefragte Leistung liegt weit über der durch Photovoltaik eingespeisten Leistung (auch in den Sommermonaten) -> 100 % Strombedarf der Haushalte Strombedarf in kwh EFH in kwh PV- Stromerzeugung Stromerzeugung PV in kwh in kwh Größte Überschussleistung ist eigentlich ein Defizit -0,17 kw Größtes Leistungsdefizit -1,07 kw 14.393.224 5.500 Andreas Meier 48

7. Simulation eines fiktiven Einfamilienhauses 7.2 bei optimal durchschnittlich installierter Photovoltaik Leistung Photovoltaik nach Süden ausgerichtet und hat eine Neigung von 45 Die optimal in dem Teilgebiet vorhandene gesamte Leistung an Photovoltaik wurde durch alle Gebäude geteilt, die für eine Nutzung durch Photovoltaik in Frage kommen Durchschnittlich installierte Leistung: 7,6 kw Annahme: 10 m 2 für 1 kwp installierte Leistung Installierte Modulfläche beträgt 76,0 m 2 Strombedarf des EFH in kwh 5.500,0 Stromerzeugung der Photovoltaik in kwh 8.806,7 Direkt Nutzbare PV-Energie in kwh 2.428,5 Nicht direkt nutzbare PV-Energie in kwh 6.378,2 Andreas Meier 50

7. Simulation eines fiktiven Einfamilienhauses 7.2 bei optimal durchschnittlich installierter Photovoltaik Leistung 1,2 10 9 1 8 7 0,8 6 0,6 5 4 0,4 3 2 0,2 1 0 Vergleich Vergleich Stromerzeugung durch durch Photovoltaik bei derzeit bei optimalen durchschnittlichen durchschnittlichen Ausbaustand Ausbaustand mit der mit Stromnachfrage der Stromnachfrage des EFH des EFH 11 170 201 339 508 401 677 601 846 801 1015 1001 1184 1201 1353 1401 1522 1691 1601 1860 1801 2029 2001 2198 2201 2367 2401 2536 2705 2601 2874 2801 3043 3001 3212 3201 3381 3401 3550 3601 3719 3888 3801 4057 4001 4226 4201 4395 4401 4564 4601 4733 4902 4801 5071 5001 5240 5201 5409 5401 5578 5601 5747 5801 5916 6085 6001 6254 6201 6423 6401 6592 6601 6761 6801 6930 7001 7099 7268 7201 7437 7401 7606 7601 7775 7801 7944 8001 8113 8282 8201 8451 8401 8620 8601 Leistung in in kw kw Uhrzeit in in h h Stromerzeugung Summe Strombedarf PV Summe Stromerzeugung Strombedarf PV Andreas Meier 51

5. Simulation des Teilgebietes von Ottobrunn 5.1 bei aktuellem Ausbaugrad der Photovoltaik Autarkiegrad Verhältnis von 2.428,5 kwh/jahr zu 5.500,0 kwh/jahr -> 44,2 % 4.204.422 2428,5 253.961 14.393.224 5500,0 14.393.224 Strombedarf der des Haushalte EFH in kwh in kwh PV- Direkt Nutzbare Stromerzeugung PV-Energie in in in kwh Eigenverbrauchsquote Angebot durch Photovoltaik liegt v.a. in den Sommermonaten punktuell weit über nachgefragter Leistung Annahme: Leistung bis zu aktueller Nachfrage kann lokal verwendet werden -> 27,6 % Größte Überschussleistung 8,31 kw Größtes Leistungsdefizit -1,07 kw Andreas Meier 52

7. Simulation eines fiktiven Einfamilienhauses 7.3 bei optimal durchschnittlich installierter Photovoltaik Leistung Photovoltaik nach Süden ausgerichtet und hat eine Neigung von 45 Durchschnittlich installierte Leistung: 7,6 kw Annahme: 10 m 2 für 1 kwp installierte Leistung Installierte Modulfläche beträgt 76,0 m 2 Elektroauto wird zusätzlich als Verbraucher mit aufgenommen Strombedarf des EFH inkl. Elektroauto in kwh 7.600,0 Stromerzeugung der Photovoltaik in kwh 8.806,7 Direkt nutzbare PV-Energie in kwh 2.778,4 Nicht direkt nutzbare PV-Energie in kwh 6.028,3 Andreas Meier 54

7. Simulation eines fiktiven Einfamilienhauses 7.3 bei optimal durchschnittlich installierter Photovoltaik Leistung 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Überschuss an Photovoltaik-Leistung nach Deckung der aktuellen Nachfrage 1 252 503 754 1005 1256 1507 1758 2009 2260 2511 2762 3013 3264 3515 3766 4017 4268 4519 4770 5021 5272 5523 5774 6025 6276 6527 6778 7029 7280 7531 7782 8033 8284 8535 Leistung in kw Uhrzeit in h Andreas Meier 55

7. Simulation eines fiktiven Einfamilienhauses 7.3 bei optimal durchschnittlich installierter Photovoltaik Leistung Eigenschaften des Akkumulators Selbstentladungsrate: 0,014 % pro Tag [7.1] Lade- und Entladeeffizienz: 98 % [7.2] Variation des Speicherinhaltes von 2 kwh 40 kwh (speicherspezifische Kennwerte werden unabhängig von der Größe des Speichers verwendet) [7.1] Quelle: Hack, Nina; Unz, Simon; Pieper Christoph; Beckmann, Michael (2013): Stand der Technik und innovative Verfahrenskonzepte zur Umwandlung und Speicherung elektrischer Energie. Kraftwerkstechnik - Sichere und nachhaltige Energieversorgung. S.841 [7.2] Quelle: CARMEN EV (2017). [https://www.carmen ev.de/sonne wind co/stromspei cher/batterien/315 akkutypen/651 lithium ionen akkumulatoren; 02.04.2017] Andreas Meier 56

7. Simulation eines fiktiven Einfamilienhauses 7.3 bei optimal durchschnittlich installierter Photovoltaik Leistung 4000 4 Lade- und und Entladeverhalten des des 21.000 20 kwh kwh - Akkumulators - 3000 2 2000 0 1000-2 0-1000 -4-2000 -6-3000 -8-4000 -10-5000 1 1 221 252 441 503 661 754 1005 881 1101 1256 1321 1507 1541 1761 1758 1981 2009 2201 2260 2421 2511 2641 2762 2861 3013 3081 3301 3264 3521 3515 3741 3766 3961 4017 4181 4268 4401 4519 4621 4770 4841 5061 5021 5281 5272 5501 5523 5721 5774 5941 6025 6161 6276 6381 6527 6601 6821 6778 7041 7029 7261 7280 7481 7531 7701 7782 7921 8033 8141 8361 8284 8581 8535 Uhrzeit in h negative Werte: Speicher wird durch Photovoltaik geladen positive Werte: Abgegebene Leistung des Akkus an das Einfamilienhaus Andreas Meier 57 Leistung in in kw kw

7. Simulation eines fiktiven Einfamilienhauses 7.3 bei optimal durchschnittlich installierter Photovoltaik Leistung 25000 Speicherinhalt des des 21.000 20 kwh - kwh Akkumulators 20000 15000 10000 5000 5 0-5000 Wintermonate: Meist keine vollen Lade- und Entladezyklen Sommermonate: Speicher hat zumeist hohen Speicherinhalt Wird nur selten komplett entladen 1 260 221 519 441 778 661 881 1037 1101 1296 1321 1555 1541 1814 1761 2073 1981 2332 2201 2421 2591 2641 2850 2861 3109 3081 3368 3301 3627 3521 3741 3886 3961 4145 4181 4404 4401 4663 4621 4922 4841 5181 5061 5281 5440 5501 5699 5721 5958 5941 6217 6161 6476 6381 6601 6735 6821 6994 7041 7253 7261 7512 7481 7771 7701 8030 7921 8141 8289 8361 8548 8581 Leistung in kw Leistung in kw 0 Uhrzeit in h Andreas Meier 58

7. Simulation eines fiktiven Einfamilienhauses 7.3 bei optimal durchschnittlich installierter Photovoltaik Leistung Eigenverbrauchsquote Bestehend aus direkt genutzter Energie und dem EFH durch den Speicher zur Verfügung gestellten Energiemenge Direkt genutzte Energie unabhängig von Speicher (2.778,4 kwh/jahr) Durch Speicher genutzte Energiemenge von Speichergröße abhängig Speicher durch Akku genutzte Energie in kwh ges. genutzte Energie in kwh 2 kwh 605,3 3.383,7 3 kwh 881,6 3.660,0 4 kwh 1.146,6 3.925,0 5 kwh 1.395,4 4.173,8 10 kwh 2.445,9 5.224,3 15 kwh 2.871,0 5.649,4 20 kwh 3.021,6 5.800,0 25 kwh 3.096,6 5.875,0 30 kwh 3.141,7 5.920,1 35 kwh 3.180,8 5.959,2 40 kwh 3.215,4 5.993,8 Andreas Meier 59

7. Simulation eines fiktiven Einfamilienhauses 7.3 bei optimal durchschnittlich installierter Photovoltaik Leistung Eigenverbrauchsquote Gesamt durch die Photovoltaik erzeugte Energiemenge: 8.806,7 kwh/jahr Eigenverbrauchsquote in % 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Eigenverbrauchquoten des Einfamilienhauses mit Elektroauto bei verschiedenen Größen des Akkumulators 2 3 4 5 10 15 20 25 30 35 40 Speichergröße in kwh Speicher Eigenverbrauchsquote in % 2 kwh 38,4 3 kwh 41,6 4 kwh 44,6 5 kwh 47,4 10 kwh 59,3 15 kwh 64,1 20 kwh 65,9 25 kwh 66,7 30 kwh 67,2 35 kwh 67,7 40 kwh 68,1 Andreas Meier 60

7. Simulation eines fiktiven Einfamilienhauses 7.3 bei optimal durchschnittlich installierter Photovoltaik Leistung Autarkiegrad Strombedarf des Einfamilienhauses: 7.600,0 kwh/jahr Speicher Autarkiegrad in % Autarkiegrad in % 100 80 60 40 20 0 Autarkiegrad des Einfamilienhauses mit Elektroauto bei verschiedenen Größen des Akkumulators 2 3 4 5 10 15 20 25 30 35 40 Speichergröße in kwh 2 kwh 44,5 3 kwh 48,2 4 kwh 51,6 5 kwh 54,9 10 kwh 68,7 15 kwh 74,3 20 kwh 76,3 25 kwh 77,3 30 kwh 77,9 35 kwh 78,4 40 kwh 78,9 Andreas Meier 61

7. Simulation eines fiktiven Einfamilienhauses 7.3 bei optimal durchschnittlich installierter Photovoltaik Leistung Größte Überschussleistung Wert an Leistung, der nicht direkt genutzt und auch nicht durch den Akkumulator aufgenommen werden kann Über ein breites Spektrum an Speichern nahezu unverändert Ab 2.604,6 kwh Speicherinhalt keine Überschussleistung mehr festzustellen Leistung in kw 10 8 6 4 2 0 Maximale Überschussleistung der Photovoltaik des Einfamilienhauses für verschiedene Akkumulatorgrößen Speichergröße in kwh Andreas Meier 62

7. Simulation eines fiktiven Einfamilienhauses 7.3 bei optimal durchschnittlich installierter Photovoltaik Leistung Größtes Leistungsdefizit Wert an Leistung, der benötigt werden würde, um die Nachfrage zu decken Über ein breites Spektrum an Speichern nahezu unverändert Auch die großen Akkumulatoren weisen keine Verbesserung auf Größtes Leistungsdefizit fällt zu Beginn des Jahres an - Vorteil, der großen Akkumulatoren kann hier noch nicht genutzt werden - Simulation für ein zweites Jahr mit Restspeicherinhalt des Vorjahres könnte Änderung bewirken Größtes Leistungsdefizit: -1,74 kw (für alle simulierten Speichergrößen) Andreas Meier 63

7. Simulation eines fiktiven Einfamilienhauses Zusammenfassung: Mit einem Speicher von 15 kwh wurden für den Autarkiegrad und die Eigenverbrauchsquote sehr gute Werte erzielt Verwendung von Standardlastprofilen verfälschen Ergebnisse bei Betrachtung eines einzelnen Gebäudes 74,3 % 64,1 % Eigenverbrauvhsquote Eigenverbrauchsquote in % 100 80 60 40 20 0 Eigenverbrauchsquote und und Autarkiegrad des des Einfamilienhauses Teilgebietes bei mit Elektroauto verschiedenen bei verschiedenen Größen Größen des Akkumulators des Akkumulators 12 33 5 4 7 5 9 10 11 13 15 15 20 1725 19 30 21 3523 40 25 Speichergröße in MWh kwh Eigenverbrauchsquote Autarkiegrad 100 80 60 40 20 0 Autarkiegrad in % Andreas Meier 64

8. Fazit und Ausblick Dachneigung und Ausrichtung wurden für das Teilgebiet anhand einer Zufallszahl bestimmt -> mögliche Lösung könnte ein GIS gesteuerter 2D-Ansatz zur Abschätzung des Photovoltaik-Potenzials für großflächige Gebiete der TU Kaiserslautern sein Stromverbrauch von Gebäuden des Teilgebietes die per Standardlastprofil erfasst werden, wurden betrachtet -> Gebäude die mit RLM erfasst werden könnten nun hinzugefügt werden Verluste von Wechselrichter oder aufgrund von Verschattung wurden in der Simulation nicht berücksichtigt Betrachtung des Einfamilienhauses könnte nun auf ein größeres Gebiet ausgeweitet werden -> Betrachtung anhand von Standardlastprofilen gewinnt somit an Genauigkeit Genauigkeit der Simulation mit geringeren Simulationsintervallen erhöhen (bisher Stundenwerte) Andreas Meier 66

Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Andreas Meier 67