DEKARBONISIERTE ENERGIEVERSORGUNG - EINER SÄCHSISCHEN KOMMUNE BIS ZUM JAHR 2050 - SAENA
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DEKARBONISIERTE ENERGIEVERSORGUNG EINER SÄCHSISCHEN KOMMUNE BIS ZUM JAHR 2050
Vorwort | 3 Die Bundesregierung hat sich als energiepolitisches Ziel für das Jahr 2050 einen klimaneu- tralen Gebäudebestand sowie eine weitestgehend dekarbonisierte Energieversorgung gesetzt. Auf Grundlage dieser Zielstellung werden in der Diplomarbeit „Dekarbonisierte Energiever- sorgung einer sächsischen Kommune bis zum Jahr 2050“ am Beispiel von Obergurig, einer kleinen sächsischen Kommune, verschiedene Energieversorgungsszenarien hinsichtlich ihrer wirtschaftlichen und energetischen Faktoren untersucht und verglichen. Dabei soll der Energiebedarf aller Sektoren, also der Bereiche Privathaushalte, GHD (Gewerbe, Handel, Dienstleistung), Industrie, Verkehr sowie öffentlicher Einrichtungen gedeckt werden. Verschiedene Einflussfaktoren auf die Entwicklung des Energiebedarfs werden berücksichtigt. Das Ziel der Diplomarbeit ist es, zu untersuchen, wie sich die Gemeinde als Netzknoten für die verschiedenen Energieversorgungsszenarien verhält. Wie stark sind die Netzbelastung und die damit einhergehende Notwendigkeit des Netzausbaus für die verschiedenen Szenarien? Welche Bedeutung haben zentrale und dezentrale Speicher dabei? Im Zuge dieser Thematik spielt auch das Stichwort Sektorenkopplung eine zentrale Rolle. Unter Sektorenkopplung versteht man die Verbindung von Strom-, Wärme- und Gasnetzen der verschiedenen Sektoren, inklusive des Verkehrssektors um Schwankung im Energiebedarf sowie der erneuerbaren Energieerzeugung auszugleichen. Die Broschüre beschreibt das Vorgehen sowie die in der Diplomarbeit gewonnenen Kenntnisse darüber, welchen Beitrag eine Kommune unter den Aspekten der Wirtschaftlichkeit und ihres energetischen Verhaltens als Netzknotenpunkt zur Dekarbonisierung der Energieversorgung leisten kann. Zudem werden die technischen und administrativen Herausforderungen bei der Umstrukturierung der Energieversorgung beleuchtet.
Inhaltsverzeichnis | 5
1 Vorwort 3 6 Berechnungsmodell 18
6.1 Funktionsweise des Berechnungsmodells 18
6.2 Berechnungsgang 18
2 Abstrakt 6 6.2.1 Strombedarf zur Deckung des Heizwärmebedarfs 19
6.2.2 Berechnung Elektroenergiebedarf Warmwasser-
bereitung 19
3 Ist-Analyse 7 6.2.3 Bilanzierung 20
3.1 Energieversorgung 7 6.3 Datengrundlage 20
3.2 Endenergiebedarf 8 6.3.1 Stromlastprofil 20
3.2.1 Privathaushalte 8 6.3.2 Wärmelastprofil 21
à Strombedarf 8 6.3.3 Verkehr 22
à Wärmebedarf 8 6.3.4 Erzeugungsprofil Photovoltaik 22
3.2.2 Kommunale Einrichtungen 9 6.3.5 Grenzen des Berechnungsmodells 23
à Strombedarf 9
à Wärmebedarf 9
3.2.3 GHD und Industrie 9 7 Auswertung 23
3.2.4 Verkehr 9 7.1 Energetischer Vergleich 23
3.2.5 Zusammenfassung 10 7.1.1 Grundlagen Energetische Auswertung 23
7.1.2 Vergleich 24
à Vergleich: Variante 1 24
4 Entwicklung bis zum Jahr 2050 11 à Vergleich: Variante 2 26
4.1 Bevölkerungsentwicklung 11 à Vergleich: Variante 3 27
4.2 Endenergiebedarf 11 à Gesamt 27
4.2.1 Privathaushalte 11 7.2 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 28
à Stromverbrauch 11 7.2.1 Kapitalwertmethode 28
à Wärmebedarf 11 7.2.2 Auswertung 29
4.2.2 Kommunale Einrichtungen 12
à Stromverbrauch 12
à Wärmeverbrauch 12 8 Technischer Ausblick 30
4.2.3 GHD und Industrie 12 8.1 Speichermöglichkeiten 30
4.2.4 Verkehr 12 8.2 Elektromobilität 30
4.2.5 Zusammenfassung 13 8.2.1 Ladeinfrastruktur 30
8.2.2 Netzdienliches Ladeverhalten 30
à Variable Strompreise 30
5 Energieversorgungsvarianten 2050 14 à Netzdienliche Steuerung 30
5.1 Analyse der Energiequellen 14 à Systemdienstleistung 30
5.2 Entwicklung der Energieversorgungsvarianten 14
5.2.1 Variantenübersicht 14
5.2.2 Variante 1: komplette Ausschöpfung des PV-Potentials 15 9 Fazit 32
à Photovoltaik 15
à Dezentrale Speicher 15
à Elektromobilität 15 10 Abbildungsverzeichnis 33
à Zentraler Speicher 15
5.2.3 Variante 2: unvollständiger Ausbau des PV-Potentials 16
à Photovoltaik 16 11 Tabellenverzeichnis 33
à Dezentrale Speicher 17
à Sanierungsziele 17
5.2.4 Variante 3: Zentrale Wärmeversorgung 17 12 Quellenverzeichnis 34
6 | Abstrakt Ist-Analyse | 7
2 Abstrakt 3 Ist-Analyse
Während der Großteil des Energiebedarfs in den Städten anfällt, elektrische Versorgungsnetz haben. Ein wichtiges Anliegen der Obergurig ist eine Gemeinde im sächsischen Landkreis Baut-
bieten ländliche Regionen die räumlichen Kapazitäten für eine Arbeit war es, den Einfluss der verschiedenen technischen Vari- zen mit ca. 2000 Einwohnern. Zwischen dem Spreewald und dem
dezentrale Energieerzeugung mittels erneuerbarer Energien. anten auf den Einbindepunkt stundenscharf zu untersuchen und Landschaftsschutzgebiet „Oberlausitzer Bergland“ gelegen, be-
Somit können Kommunen einen wichtigen Beitrag zur Dekar- die daraus gewonnenen realistischeren Ergebnisse mit den klas- sitzt die Region eine Funktion als Naherholungsgebiet. Es gibt
bonisierung und Einhaltung der Ziele des Pariser Klimaabkom- sischen Jahresbilanzierungen zu vergleichen und sowohl tech- Sport- und Freizeitanlagen, einen Kindergarten, eine Grund-
mens leisten. nisch als auch wirtschaftlich zu bewerten. schule sowie Gaststätten.
In der Diplomarbeit „Dekarbonisierte Energieversorgung einer In Variante 1 wird von einem vollständigen Ausbau des Photo-
sächsischen Kommune bis zum Jahr 2050“ [1] wurden am Bei- voltaikpotentials und der Einhaltung aller Effizienzziele ausge-
3.1 Energieversorgung
spiel von der Gemeinde Obergurig verschiedene Energieversor- gangen. In Variante V1b wird der Einfluss der Elektromobilität,
gungsvarianten für das Jahr 2050 entwickelt und anhand dieser in Variante V1c der Einfluss von Elektromobilität in Kombination
untersucht, wie der Beitrag einer Kommune zur Dekarbonisie- mit einem zentralen Elektrospeicher untersucht. Die Gemeinde Obergurig ist nur teilweise an das öffentliche Gas-
rung aussehen kann. Variante 2 geht von einem geringeren Photovoltaikausbaugrad netz angeschlossen. In einigen Ortsteilen ist die Wärmeerzeu-
aus und in Variante V2b wird der Einfluss der Nichteinhaltung gung ausschließlich durch Strom, Öl oder Flüssiggas zu reali- Abb. 3.2: Lage Obergurig [2], Quelle: Landschaftsplan Großpostwitz/O.L. –
Obergurig; Verwaltungsgemeinschaft Großpostwitz/O.L. – Obergurig
Die künftige Energieversorgung in Obergurig soll durch den der Sanierungsziele untersucht. sieren. Durch die Teilnahme der Gemeinde am Kommunalen
Einsatz von Photovoltaik, Luftwärmepumpen und dezentraler Energiemanagement der SAENA liegen Verbrauchsdaten der
Stromspeicher gestaltet werden. Bei der Prognose des Energie- In Variante 3 wird für einen Teil der Gemeinde ein Vergleich zwi- kommunalen Liegenschaften vor.
bedarfs wurden die Bevölkerungsentwicklung, potentielle Effi- schen zentraler und dezentraler Wärmeerzeugung angestellt.
zienzmaßnahmen sowie die Entwicklungen im Verkehrssektor Die Ergebnisse des Variantenvergleichs sind in Abbildung 1.1
berücksichtigt. Die angenommenen Daten beruhen hauptsäch- dargestellt.
lich auf Studien von Instituten und Forschungseinrichtungen, die 14 MWh
teilweise im Auftrag von Bundesministerien erstellt wurden. Es zeigt sich, dass ein maximaler Eigenverbrauch bei mög-
lichst geringem Netzbezug durch eine Einbindung der Elektro- 155 MWh
Auf Grundlage dieser Prognose wurde mittels verschiedener mobilität in Kombination mit einem zentralen Stromspeicher
Energieversorgungsvarianten der Einfluss untersucht, den Elek- zu erzielen ist. Es erfolgt eine Projektion der Ergebnisse auf 142 MWh
tromobilität, Photovoltaik-Ausbaugrad, zentrale Speicher, Effizi- das Bundesland Sachsen, wobei insbesondere gesamtgesell-
enzmaßnahmen im Gebäudebereich sowie eine Zentralisierung schaftliche Effekte, Potentiale, sächsische Besonderheiten sowie
der Wärmeversorgung auf die Wirtschaftlichkeit und das ener- technische und wirtschaftliche Machbarkeit bewertet werden
getische Verhalten des Einbindepunktes in das übergeordnete sollen. Flüssiggas
585 MWh Erdgas
Strom
Heizöl Abb. 3.3: Solarpark Singwitz [3]
Stromerzeugung und Strombedarf von Obergurig Abb. 3.1: Wärmeverbrauch der kommunalen Liegenschaften
8 GWh Solarstromerzeugung
4,3 GWh 2,2 GWh 3,4 GWh 3,5 GWh 2,4 GWh 2,5 GWh 1,3 GWh 3,1 GWh 1,2 GWh 3,9 GWh
7 GWh Netzeinspeisung
Eigenverbrauch In Obergurig werden bereits erneuerbare Energien zur Strom-
6 GWh erzeugung genutzt. Die größte Erzeugerleistung hat der Solar-
Elektrische Energie
Eigenverbrauchsquote park Singwitz mit einer Installationsleistung von 581,28 kWp.
5 GWh
Dabei handelt es sich um eine Versuchsanlage mit Solarmodulen
4 GWh verschiedener Hersteller. Zudem existieren im kommunalen Be-
reich und im ehemaligen Gewerbegebiet der Gemeinde verein-
3 GWh zelt Photovoltaik-Dachanlagen. Weiterhin gibt es eine Wasser-
Strombedarf
kraftanlage mit 30 kW elektrischer Leistung.
2 GWh Netzbezug
38% 54% 52% 51% 66% 65% 57% 36% 60% 33% Eigenverbrauch
1 GWh
Abb. 3.4: PV-Anlage ehemaliges Gewerbegebiet MDW [4],
0 GWh Autarkiequote Quelle: © Google Earth
V1a V1b V1c V2a V2b
Abb. 1.1: Übersicht Eigenverbrauch und Autarkie der Energieversorgungsvarianten (Variante 1 und Variante 2)
8 | | 9
3.2 Endenergiebedarf
Energieeinsparrechtliche Spezifischer
Um den Endenergiebedarf für das Jahr 2050 zu prognostizieren, Anforderungen Heizenergieverbrauch
wurde der aktuelle Strom- und Wärmeverbrauch für die Sekto-
ren Privathaushalte, kommunale Einrichtungen, GHD (Gewerbe, Altbau 250–350 kWh/(m²a)
Handel und Dienstleistungen), Industrie sowie Verkehr unter-
sucht. WschVO 1977 180–250 kWh/(m²a)
WschVO 1995 54–100 kWh/(m²a)
EnEV 2002/2007 30–70 kWh/(m²a)
Ist-Analyse
EnEV 2009 20–50 kWh/(m²a)
Obergurig Energieversorgung
und -verbrauch
EnEV 2012 15–35 kWh/(m²a)
Der Jahresheizenergiebedarf
Haushalte in Obergurig beträgt ca.
Tabelle 3.1: Entwicklung Anforderungen Heizenergiebedarf [11]
13,15 GWh. Der jährliche En-
ergiebedarf zur Trinkwasser-
Kommunale Einflussfaktoren: erwärmung liegt in Sachsen
Einrichtungen Bevölkerung Etwa 80 % der Gebäude in Obergurig wurden nach der Wärme- durchschnittlich bei 838 kWh
Klimaziele schutzverordnung (WschVO) von 1977 erbaut und zählen somit je Einwohner [12] und in Ober-
Effizienz zu den Altbauten. Für Altbauten wird aufgrund von getroffenen gurig damit bei 1,76 GWh. Abb. 3.7: Wohngebäude in Obergurig nach EnEV 2002/2007
GHD Gebäude- Sanierungsmaßnahmen ein spezifischer Heizenergieverbrauch
sanierung von 180 kWh/(m²a) angenommen.
3.2.2 Kommunale Einrichtungen 2.500 2.309
Industrie
2.250
Energieverbrauch in MWh/a
Strombedarf
2.000
Da die Gemeinde Obergurig am kommunalen Energiemanage-
Verkehr Szenario 2050 ment der SAENA teilnimmt, existieren gemessene Stromver- 1.750
(Kraftstoffbezug Strom- und bräuche der kommunalen Gebäude der vorangegangenen drei 1.500
extern) Wärmebedarf 2050 bis vier Jahre. Der Jahresstromverbrauch der kommunalen Ge- 1.145
1.250
bäude beträgt 113,0 MWh/a. Neben dem Stromverbrauch der Ge-
Abb. 3.5: Vorgehensweise Entwicklung Szenario 2050 1.000
bäude zählt auch der Strombedarf der Straßenbeleuchtung zum
704
Stromverbrauch der Kommune. Hier konnten durch den Einbau 750
Stromverbrauch
von LED-Lampen bereits 9 % eingespart werden. Der jährliche 500 in MWh/a
296
Strombedarf für die Straßenbeleuchtung beträgt 56,6 MWh/a. Wärmeverbrauch
250
3.2.1 Privathaushalte in MWh/a
Wärmebedarf 0
Industrie GHD
Strombedarf Die Wärmeverbräuche der letzten drei bis vier Jahre wurden
Der Stromverbrauch von Privathaushalten ist abhängig von der ebenfalls messtechnisch erfasst und für die Abschätzung des Abb. 3.8: Strom- und Wärmebedarf für GHD und Industrie
Größe des Haushalts. Die Daten über Haushaltsgröße und Wohn- mittleren Wärmebedarfs witterungsbereinigt. Der Trinkwarm-
fläche stammen aus dem Zensus 2011 [5]. Um den Stromver- wasserverbrauch wird nicht gesondert betrachtet. Daraus ergibt
brauch abzuschätzen, erfolgte eine Mittelung von Werten aus sich ein Wärmebedarf von 896,3 MWh/a. Strom- und Wärmebedarf für die Bereiche GHD und Industrie er-
fünf verschiedenen statistischen Erhebungen [6, 7, 8, 9, 10]. Für mittelt. Die in Obergurig ansässigen Industriebetriebe zählen zu
die Gemeinde Obergurig ergibt sich damit ein Strombedarf von Abb. 3.6: Wohngebäude in Obergurig nach WschVO 1977 den Branchen Materialtechnik/Kunststoff und Maschinenbau.
2,66 GWh. 3.2.3 GHD und Industrie
Wärmebedarf Die restlichen 20 % des Gebäudebestands wurden nach WschVO In den Sektoren GHD und Industrie stellen die inhomogenen 3.2.4 Verkehr
Die Bestimmung des Heizenergiebedarfs erfolgt anhand der 1995 oder EnEV 2002/2007 erbaut und werden hier als Neubau- Energiebedarfe eine Herausforderung bei der Datenerhebung
Baualtersklassen der Gebäude in Obergurig. Unter der Annah- ten bezeichnet. Für Neubauten wird von einem spezifischen Heiz- dar. Im Schlussbericht des Forschungsvorhabens „Energiever- Bei der Analyse des Endenergieverbrauchs des Verkehrs er-
me, dass die Anforderungen der jeweiligen Verordnungen an den energieverbrauch von 70 kWh/(m²a) ausgegangen. brauch des Sektors Gewerbe, Handel, Dienstleistungen (GHD) in folgt ausschließlich eine Betrachtung des Personenverkehrs mit
spezifischen Heizenergieverbrauch eingehalten werden, werden Deutschland für die Jahre 2011 bis 2013“ [13] sind branchenspe- dem PKW. Der Kraftstoffbezug der PKWs liegt außerhalb der
die Werte aus Tabelle 3.1 der Abschätzung des Wärmebedarfs zu zifische Wärme- und Stromverbräuche bezogen auf die Mitarbei- Bilanzgrenze Obergurig und wurde mittels der Studie „Mobilität
Grunde gelegt. terzahl für das Jahr 2012 angegeben. Auf dieser Basis wurde der in Städten – SrV 2013“ [14] auf 17 GWh/a geschätzt.
10 | Entwicklung bis zum Jahr 2050 | 11
3.2.5 Zusammenfassung 4 Entwicklung bis zum Jahr 2050
Etwa 90 % des Strombedarfs fallen in den Sektoren Privathaus-
halte und Industrie an. Die Straßenbeleuchtung hat einen nicht zu Um den Endenergiebedarf der Kommune im Jahr 2050 abzu- 4.2 Endenergiebedarf
vernachlässigenden Anteil am Stromverbrauch der Kommunen. schätzen, muss die Entwicklung des Energieverbrauchs in den
einzelnen Bereichen (Privathaushalte, kommunale Einrichtun-
gen, Industrie, GHD und Verkehr) in Abhängigkeit von der Bevöl-
kerungsentwicklung und den getroffenen Effizienzmaßnahmen 4.2.1 Privathaushalte
Strombedarf Verkehr betrachtet werden.
296 MWh/a Gesamt 17.000 Stromverbrauch
4.273 MWh/a MWh/a Es wird angenommen, dass die Effizienzerhöhung elektrischer
Geräte durch eine Zunahme der Gerätezahl kompensiert wird.
1.145 MWh/a 4.1 Bevölkerungsentwicklung Der Stromverbrauch pro Person bleibt somit unverändert. Durch
113 MWh/a den Bevölkerungsrückgang kommt es zu einer Verringerung des
170 MWh/a Um den Endenergiebedarf zu prognostizieren ist eine Betrach- Strombedarfs von Obergurig auf 1,92 GWh im Jahr.
tung der Bevölkerungsentwicklung elementar. Diese folgt in
57 MWh/a
Obergurig in den letzten Jahren einem negativen Trend. Wärmebedarf
2.663 MWh/a
Abb. 3.11: Nichtwohngebäude in Obergurig Nach der EU-Richtlinie 2010/31/EU [15] sollen Neubauten, die
ab 2021 errichtet werden, nach Niedrigstenergiegebäudestan-
dard gebaut und somit der Wärmebedarf reduziert werden. Al-
2.500 le Bestandsgebäude werden einer Sanierung unterzogen. Be-
Einwohnerzahl
Haushalte GHD stehende Neubauten werden ebenfalls auf Niedrigstenergiege-
Industrie Straßenbeleuchtung 2.000 bäudestandard saniert. Dabei wird eine Rückbaurate von 1 % für
Kommunale Liegenschaften Altbauten und 0,9 % für Neubauten angenommen. Damit ergibt
1.500
Abb. 3.9: Strombedarf Obergurig 2016 sich für das Jahr 2050 der in Tabelle 4.1 angegebene Gebäude-
1.000 bestand für Obergurig:
500
Der Energiebedarf des Verkehrssektors fällt außerhalb der 0
Bilanzgrenze an und wird separat betrachtet. Mit einem Jahres-
2005
2050
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
2045
energiebedarf von 17 GWh ist der Energiebedarf des Verkehrs- Spezifische
Gebäudeart Anteil Anzahl
sektors annähernd so groß wie der Wärmebedarf von Obergurig. Heizenergie
Jahr
Mit 13,2 GWh fallen mehr als 75 % des Wärmebedarfs im privaten Abb. 4.1: Bevölkerungsentwicklung Obergurig Sanierter Altbau 75 % 344 55 kWh/(m²a)
Sektor an.
Sanierter Neubau 20 % 89
Folgt man diesem linearen Trend, ist für das Jahr 2050 eine Ein- Neubauten 2011–2020 2,5 % 12 15 kWh/(m²a)
704 896 Abb. 3.12: Firma Porex in Obergurig wohnerzahl von 1509 zu prognostizieren. Dies entspricht einer
MWh/a MWh/a Bevölkerungsabnahme auf 72 % gegenüber 2012. In der Studie Neubauten ab 2021 2,5 % 12
2.309 „Wärmeversorgung für Sachsen aus erneuerbaren Energien“
MWh/a [12] wird in Sachsen eine durchschnittliche Bevölkerungsab- Tabelle 4.1: Heizenergiebedarf Gebäude 2050
Wärmebedarf nahme auf 76 %, in ländlichen Regionen sogar auf 58 %, vorher-
Gesamt gesagt. Aufgrund der guten Verkehrsanbindung, der hohen Zahl
17.061 MWh/a junger Familien und des Engagements der Gemeinde, die Le-
bensbedingungen für junge Leute attraktiv zu gestalten, ist nicht Daraus resultiert ein Heizwärmebedarf von 3333 MWh/a. Es wird
13.152 MWh/a Haushalte damit zu rechnen, dass der Bevölkerungsrückgang in Ober- angenommen, dass bei der Trinkwassererwärmung eine Ver-
Kommune gurig ebenso stark ausfallen wird. Eine Bevölkerungsabnahme besserung des Anlagenwirkungsgrades sowie eine Verringe-
GHD auf 72 % wird als realistischer Wert eingeschätzt. rung der Verteilungs- und Speicherverluste zu einer Senkung
Industrie des Endenergieverbrauchs um ca. 20 % führt und sich somit für
die Warmwasserbereitung ein Energiebedarf von 1065 MWh/a
Abb. 3.10: Wärmebedarf Obergurig 2016 ergibt.12 | | 13
4.2.2 Kommunale Einrichtungen Strombedarf Wärmebedarf 4.2.5 Zusammenfassung
3250 3250
Stromverbrauch 3000 3000 Wie in Abb. 4.3 dargestellt, findet die größte Endenergieeinspa- Auch der Strombedarf reduziert sich durch effizientere Anlagen-
Es wird angenommen, dass trotz des Bevölkerungsrückgangs rung im privaten Sektor statt. Dies lässt sich insbesondere auf technik und sinkende Einwohnerzahlen um 23 %. Jedoch wird im
2750 2750
der Gebäudebestand der kommunalen Einrichtungen erhalten 907 Einsparungen beim Heizen zurückführen, welche durch ener- Ist-Szenario der Energiebedarf des Verkehrssektors außerhalb
bleibt. Der Stromverbrauch der kommunalen Gebäude bleibt ge- 2500 2500 gieeffizientere Gebäude und Anlagentechnik sowie den Bevölke- der Gemeinde bezogen. Im Zukunftsszenario 2050 fällt der Ener-
Energieverbrauch in MWh
Energieverbrauch in MWh
genüber dem Ist-Zustand unverändert. Zudem wird das weitere 2250 2250 rungsrückgang hervorgerufen werden. Insgesamt reduziert sich giebedarf für Elektromobilität in der Gemeinde an. Das führt zu
Einsparungspotential beim Energiebedarf der Straßenbeleuch- der Wärmeenergiebedarf um 65 %. einem Anstieg des Strombedarfs um 30 %.
2000 2000
tung auf 30 % gegenüber 2015 geschätzt. Damit ergibt sich ein
Stromverbrauch von 113,0 MWh/a. 1750 1750
1500 1500 621
Wärmeverbrauch 1.402 20.000
1250 450 1250
Da es sich bei den kommunalen Gebäuden im Zukunftsszenario
18.000
um sanierte Altbauten handelt, wird entsprechend der Tabelle 1000 489 1000
16.000
Endenergiebedarf MWh/a
4.1 ein spezifischer Heizenergiebedarf von 55 kWh/(m²a) unter- 750 750 960
stellt. Damit liegt der Jahresheizenergiebedarf bei 440 MWh/a. 695 14.000
500 459 500
Der Energiebedarf zur Trinkwassererwärmung wird nach DIN 704 12.000
V 18599-10 entsprechend der Art der Anlage errechnet und be- 250 250
296 260 264 10.000
trägt 36,2 MWh/a. 0 0
2012 2050 2012 2050 8.000
Industrie – Maschinenbau 6.000
Industrie – Kunststoff 4.000
4.2.3 GHD und Industrie GHD 2.000 Ist-Zustand Endenergie
Der künftige Energiebedarf des GHD- und Industriesektors Abb. 4.2: Entwicklung Energieverbrauch GHD und Industrie 0 Szenario 2050 Endenergie
lässt sich aufgrund der starken Schwankungen und Branchen- Privat- kommunale GHD Industrie Verkehr
abhängigkeit schwer abschätzen. Grundlage zur Ermittlung der haushalte Einrichtungen
Energieverbräuche 2050 war die Studie „Klimaschutzszenario
2050“ [16]. Dabei wurde das Klimaschutzszenario 80 herange- wurde das Szenario „Grenzenlos eMobil“ der Studie „eMobil 2050 Abb. 4.3: Vergleich Endenergiebedarf nach Sektoren
zogen, welches von einer Emissionsminderung von 80 % gegen- Szenarien zum möglichen Beitrag des elektrischen Verkehrs
über 1990 ausgeht. Demnach wird der Endenergieverbrauch zur zum langfristigen Klimaschutz“ [17] vom Öko Institut e. V. her-
Wärmebereitstellung im GHD Sektor gegenüber dem Jahr 2008 angezogen.
um 69 % und der Stromverbrauch gegenüber 2010 um 13 % re- 18,91 GWh
20
duziert. Einsparungen durch energieeffizientere Geräte wer- Folgende Annahmen wurden getroffen:
den durch einen steigenden Bedarf an Strom für Rechenzent- à Die Verkehrsleistung ist durch den Bevölkerungsrückgang 18
ren, Server, Lüftung und Klimatisierung kompensiert. Der Ener- rückläufig 16
gieverbrauch in der Industrie wird branchenspezifisch ermittelt. à Die Wegeanzahl pro Tag pro Person bleibt konstant 14
Demnach wird sich der Endenergiebedarf der in Obergurig an- à Zunahme der Wegelänge um 10 % -65%
12
sässigen Industriebetriebe bis zum Jahr 2050 um 27 % gegen- à Rückgang der Verkehrsleistung um 21 %
Energie in GWh
über 2010 reduzieren. à 65 % der Fahrleistung durch Elektroautos 10
à Kompletter Strombedarf fällt in der Kommune an 6,72 GWh
8
à Mittlerer spezifischer Stromverbrauch von Elektroautos: 4,27 GWh +30%
6
15,96 kWh/100 km 2,25 GWh
4.2.4 Verkehr à Ladeverlust: 10 % 4
2 -23%
Ist-Zustand Endenergie
Es wird angenommen, dass das Auto seine Bedeutung als Haupt- Daraus ergibt sich ein Strombedarf von 2,25 GWh für die Elek- 3,29 GWh
0 Szenario 2050 Endenergie
verkehrsmittel in den ländlichen Regionen beibehält, jedoch tromobilität. Der Strombedarf für alternative Antriebsmöglich-
größtenteils ein Umstieg auf Elektromobilität erfolgt. Durch die keiten wird nicht berücksichtigt. Wärmeenergie IST Wärmeenergie 2050 Strom IST Strom 2050
Umrüstung auf Elektromobilität und eine zu erwartende Effi- Abb. 4.4: Endenergieentwicklung Strom und Wärme
zienzsteigerung soll der Endenergiebedarf entsprechend der
klimapolitischen Ziele gegenüber 2008 um 40 % reduziert wer-
den. Um den Strombedarf für die Elektromobilität abzuschätzen,14 | Energieversorgungsvarianten 2050 | 15
5 Energieversorgungsvarianten 2050
5.1 Analyse der Energiequellen 5.2 Entwicklung der Energieversorgungsvarianten 5.2.2 Variante 1:
komplette Ausschöpfung des PV-Potentials
Um potentielle Energieversorgungsvarianten für das Jahr 2050 Um den Einfluss der Energieversorgung auf den energetischen
zu entwerfen, wurde die Gemeinde Obergurig hinsichtlich der zur Knotenpunkt Obergurig sowie die Wirtschaftlichkeit des Ge- In der Energieversorgungsvariante V1 wird das komplette zur 1983 kWp
Verfügung stehenden erneuerbaren Energiequellen untersucht. samtsystems zu untersuchen, wurden verschiedene Energie- Verfügung stehende Photovoltaikpotential ausgeschöpft.
3761 kWp
In Obergurig steht kein Potential für Windkraftanlagen zur Verfü- versorgungsvarianten konzipiert und miteinander verglichen.
Haushalte
gung, da es keine nutzbaren Flächen mit dem vorgeschriebenen Die Energieversorgungsvarianten setzen sich auf Basis der zur Genauer werden folgende Varianten unterschieden:
1400 kWp Kommunale Gebäude
Mindestabstand zum Wohngebiet gibt. Zur Biomassenutzung Verfügung stehenden Energiequellen aus folgenden Bausteinen à Variante 1a: keine Berücksichtigung der Elektromobilität
Gewerbe
für energetische Zwecke wäre lediglich eine Kurzumtriebsplan- zusammen: à Variante 1b: Berücksichtigung der Elektromobilität
Industrie
tage denkbar. Aufgrund der Konkurrenz zur Nahrungsmittel- à Stromerzeugung: PV (zentral/dezentral) à Variante 1c: Berücksichtigung der Elektromobilität mit zen-
Freiflächen
produktion wird diese Option nicht weiter untersucht. Aufgrund à Wärmeerzeugung: Luft-Wasser-Wärmepumpen (zentral/de- tralem Speicher 130 kWp
der Datenlage wurde eine Nutzung des geothermischen Poten- zentral) 151 kWp
tials nicht betrachtet. à Stromspeicher (zentral/dezentral) Photovoltaik
à Wärmespeicher (dezentral) Es wird in dieser Energieversorgungsvariante davon ausgegan- Abb. 5.2: Verteilung PV-Potential
Nach dem Energie- und Klimaprogramm Sachsens ist das nutz- gen, dass alle für Photovoltaik erschließbaren Flächen genutzt
bare Potential der Wasserkraft aus gewässerökologischen Grün- Dabei wurden der Einfluss einer Veränderung der Erzeuger- und werden. Freilandflächen werden zu 30 % mit Ost/West-Anlagen
den weitestgehend ausgeschöpft und ein Zubau nicht sinnvoll. Abnehmerkapazität sowie die Option einer zentralen Wärme- und zu 70 % mit Süd-Anlagen bebaut. In Privathaushalten ergibt
Im Fokus der Diplomarbeit steht das Photovoltaik-Potential der versorgung betrachtet. Dafür wurden die Auswirkungen der Va- sich eine Verteilung wie in Tabelle 5.1 dargestellt.
Gemeinde. riation des Wärmebedarfs (Sanierungsgrad), des Strombedarfs
(Elektromobilität) sowie des Ausschöpfungsgrades der Photo-
Dabei werden folgende Flächen hinsichtlich voltaik auf die energetischen und wirtschaftlichen Faktoren des
ihres PV-Potentials untersucht: Energiesystems beleuchtet. Dezentrale Speicher
à Dächer von Privathäusern Dacharten Proz. Anteil Nutzbare Dach- Die Strom- und Wärmespeicher werden als Kurzzeitspeicher
à Dächer von kommunalen Liegenschaften (Ausrichtung) in Obergurig fläche für PV ausgelegt. Im Industriesektor gibt es keine PV-Potentiale auf
à Dächer im GHD-Sektor Dachflächen, weshalb eine dezentrale Stromspeicherung nicht
à Flächen im Industriesektor (ehemaliges Industriegelände) 5.2.1 Variantenübersicht Süd-Ausrichtung 23 % 4.062 m2 in Frage kommt. Beim GHD Sektor ist die Eigenverbrauchsquote
à Freilandflächen des PV-Stroms sehr hoch (91 %), weshalb auch hier ein Strom-
Die in der Diplomarbeit betrachteten Varianten sind in Abbildung Ost- und West- speicher als nicht sinnvoll erachtet wird.
Berücksichtigt werden alle Dachflächen mit einer Ausrichtung 5.1 dargestellt. Ausrichtung (beide 25 % 9.027 m2
zwischen Osten (90°) und Westen (270°). Für Freilandflächen Seiten nutzbar) Elektromobilität
ist eine potentielle Bebauung mit Ost-, West- und Süd-Anlagen Es wird der Einfluss folgender Größen untersucht: Elektrifizierte Fahrzeuge wirken ebenfalls wie Stromspeicher
vorgesehen. Agrarflächen wurden bei der Analyse der Freiland- à Elektrischer Energiebedarf (Elektromobilität) Südost-Ausrichtung 23 % 4.212 m2 und können sich positiv auf den Eigenverbrauch auswirken und
flächen nicht berücksichtigt. à Wärmebedarf (Sanierungsgrad) somit die Stromeinspeisungen verringern.
à Zentrale Stromspeicherung Südwest-Ausrichtung 29 % 5.266 m2 In den Varianten V1b und V1c wird die Auswirkung von Elektro-
Vorteile von Südanlagen: à Zentrale Wärmeversorgung mobilität auf den Einbindungspunkt Obergurig unter der Annah-
à Höherer spezifischer Jahresstromertrag Summe 22.567 m2 me, dass der komplette Strombedarf in der Gemeinde anfällt
à Geringere Investitionskosten und das Laden ohne Netzoptimierung stattfindet, untersucht.
Energieversorgungsvarianten Tabelle 5.1: Erschlossene PV-Potentiale Privathaushalte
Vorteile Ost/West-Anlagen: Zentraler Speicher
à Effektivere Flächennutzung Um das Netz zu entlasten und den Eigenverbrauch des erzeug-
1,47-fache Leistung
à VARIANTE 1 VARIANTE 2 VARIANTE 3 ten PV-Stroms zu erhöhen, kann es sinnvoll sein einen zentralen
installierbar Ausbau des gesamten Teilweise Ausbau des Zentrale Die erschlossenen PV-Potentiale der Variante 1 sind in Abb. 5.2 Stromspeicher in das System einzubinden. Die Auswirkung eines
à Höherer Jahresertrag Photovoltaik-Potentials Photovoltaik-Potentials Wärmeerzeugung dargestellt. Insgesamt wird eine Leistung von 7425 kWp instal- zentralen Speichers wird in Variante V1c untersucht.
liert. Der größte Teil davon wird im Haushaltssektor erschlossen. Zur Ermittlung der optimalen Speichergröße wurde diese im
V3) zentrale Wärme-
V1a) ohne Elektromobilität V2a) Erreichen aller Bereich von 500 kWh bis 8000 kWh stufenweise in 500 kWh
versorgung für einen
Sanierungsziele Schritten erhöht (Abb. 5.3).
Ortsteil
V1b) mit Elektromobilität
V2b) höherer Wärme-
bedarf durch Verfehlung
V1c) mit Elektro-
der Sanierungsziele
mobilität und zentralem
Stromspeicher Abb. 5.1: Übersicht Energieversorgungsvarianten16 | | 17
80% Insgesamt wird eine Leistung von 3.213 kWp installiert. Das ent- 5.2.4 Variante 3:
70% spricht einem Ausbau von 42 % des gesamten PV Potentials. Der Zentrale Wärmeversorgung
spezifische Jahresstromertrag ist im Vergleich zur Variante 1 auf-
Eigenverbrauchsquote
60% grund der Bevorzugung von Anlagen mit südlicher Ausrichtung Aufgrund der geringen Häuserdichte in Obergurig ist ein Nahwär-
50% höher. menetz für die komplette Gemeinde nicht sinnvoll. In Variante 3
wird die Option untersucht, den Ortsteil Schwarznaußlitz, der vor
40% Dezentrale Speicher allem durch Ein- und Zweifamilienhäuser gekennzeichnet ist,
30% Die Auslegung der dezentralen Speicher erfolgt wie in Variante 1 zentral über ein Nahwärmenetz zu versorgen.
Bei einer Speichergröße von (Abschnitt 5.2.2) beschrieben.
6.400 kWh liegt der Eigen- 20%
verbrauch bei über 65 %. Der Sanierungsziele
10%
Strompreis erreicht unter Eine Verfehlung der Sanierungsziele hat eine Erhöhung des
Berücksichtigung der Inves- 0% Wärmebedarfs gegenüber Variante 1 zur Folge. Es wird ange-
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
titionskosten für den Spei- nommen, dass sich der spezifische Heizwärmebedarf verdoppelt
cher sein Minimum. Die er- (Tabelle 5.2).
mittelte Speichergröße wird nutzbare Speichergröße in kWh
der Variante V1c zu Grunde
gelegt. Abb. 5.3: Eigenverbrauch als Funktion der Speichergröße
Spez. Heiz-
Spez.
wärmebedarf
Variante Heizwärmebedarf
für sanierte
für Neubauten
Altbauten
5.2.3 Variante 2:
Möglichkeiten zur energetischen Ertüchtigung vorhandener
unvollständiger Ausbau des PV-Potentials Bausubstanz ist aus jetziger Sicht ein Erreichen der energeti- V2a – Sanierungs-
55 kWh/m2a 15 kWh/m2a
schen Sanierungsziele nur mit erheblicher finanzieller Unter- ziele werden erreicht
Variante 2 beleuchtet den Einfluss einer unvollständigen Aus-
stützung durch Kommunen, Land und Bund denkbar.
schöpfung des PV-Potentials sowie die Relevanz der Erreichung
V2b – Sanierungs-
der Sanierungsziele.
Photovoltaik ziele werden nicht 110 kWh/m2a 30 kWh/m2a
Ob das ermittelte PV-Potential genutzt werden kann, hängt unter erreicht
Daraus resultieren folgende Variationen:
anderem von den Investoren in den jeweiligen Bereichen ab. Aus
à Variante 2a: Sanierungsziele werden erreicht
diesem Grund wird der Ausbaugrad in den verschiedenen Sekto- Tabelle 5.2: spezifischer Heizwärmebedarf bei Nichterreichen
à Variante 2b: Sanierungsziele werden nicht erreicht der Sanierungsziele
ren variiert. Es wird angenommen, dass die Kommunen mit ei- Abb. 5.5: Trassenplan Nahwärmenetz Schwarznaußlitz,
ner Vorbildfunktion vorangehen und das komplette PV-Potential Kartendaten © 2018 GeoBasis-DE/BKG (© 2009), Google
Die Einschränkungen der Szenarien V2a und V2b gegenüber ausbauen. Bei den Privathaushalten wird aus finanziellen Grün-
Szenario V1 sind durchaus realistisch. Schon zum jetzigen Zeit- den lediglich ein Ausbau der Südflächen vorgesehen. Abbildung
punkt stimmen die realen Sanierungszahlen nicht mit den 5.4 zeigt die Veränderung der installierten Leistung im Vergleich
politischen Zielvorgaben überein. Insbesondere im Hinblick auf zu Variante 1. Das Nahwärmenetz hat eine Trassenlänge von etwa 1800 m.
die zum Teil beschränkten finanziellen und wirtschaftlichen
Vorteile einer zentralen Wärmeversorgung:
à Geringere installierte Leistung der zentralen Anlage im Ver-
gleich zur Summe aller dezentralen Anlagen
à Kleinerer Wärmespeicher im Vergleich zur Summe aller de-
zentralen Wärmespeicher
à Spezifische Investitionskosten sinken bei steigender Anla-
1983 kWp gengröße
1438 kWp 1028 kWp
3761 kWp Die Wärmeverluste des Nahwärmenetzes werden mit 13 % ange-
Haushalte nommen. Da in einem Wärmenetz die Auslegungsleistung nicht
1400 kWp 1400 kWp Kommunale Gebäude von allen Anschlüssen gleichzeitig angefordert wird, wird bei der
Gewerbe Auslegung ein Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,8 berücksichtigt. Da-
467 kWp Industrie mit reduziert sich die ursprüngliche Wärmeleistung von 260 kW
Freiflächen auf eine zu installierende Wärmeleistung von 210 kW.
129 kWp 129 kWp
151 kWp 151 kWp
Abb. 5.4: Entwicklung PV-Potential Abb. 5.6: Photovoltaikanlage auf einem Einfamilienhaus in Obergurig18 | Berechnungsmodell | 19
6.2.1 Strombedarf zur Deckung Die in Tabelle 6.1 angegebenen Werte werden als Auslegungs-
Sektoren werte angenommen.
des Heizwärmebedarfs
Privathaushalte Kommunaler Bereich GHD Industrie Um den Strombedarf der Wärmepumpe zur Deckung des Heiz-
wärmebedarfs zu berechnen, muss der COP (Coefficient of Per-
Kennwert im Verwendete
formance), welcher bei einer Luft-Wärmepumpe von der Luft- Formelzeichen
Auslegungsfall Werte
temperatur abhängig ist, zu jedem Zeitpunkt bestimmt werden.
Excel-Tool Excel-Tool Excel-Tool Excel-Tool
Der COP ist in der Praxis deutlich geringer als der COP nach Rauminnen-
tiA 20 °C
Herstellerangaben (Carnot Wirkungsgrad). temperatur
Das Verhältnis zwischen idealem und realem COP wird mit dem
Gütegrad η beschrieben, der typischerweise zwischen 0,4 und Vorlauftemperatur tVA 55 °C
Zusammenführung PV-Freiland
0,5 liegt. Für die Berechnung wird ein Gütegrad von 0,5 ange-
nommen. Rücklauftemperatur tRA 45 °C
Zentraler Speicher
Zusammenfassung Der reale COP zum Zeitpunkt berechnet sich mit: Außentemperatur taA -15 °C
Verkehr Heizkörperexponent n 1,1
Wirtschaftlichkeits- Tabelle 6.1: Übersicht Kennwerte Auslegung
berechnung
Abb. 6.1: Funktionsweise Berechnungstool tv … Vorlauf
ta … Außentemperatur
η … Gütegrad Der Strombedarf WWP der Luft/Wasser-Wärmepumpen zum
Heizen berechnet sich nach Formel 6.
Die Vorlauftemperatur berechnet sich über den Anlagen-
6 Berechnungsmodell belastungsgrad φ zum Zeitpunkt wie folgt:
6.1 Funktionsweise des Berechnungsmodells Über folgende Größen können im Ergebnis Aussagen getroffen
werden:
Das entwickelte Berechnungsmodell ermöglicht einen Abgleich à Stündlicher Strombedarf 6.2.2 Berechnung Elektroenergiebedarf
des stündlichen Jahreslastprofils des Energiebedarfs mit dem à Stündliche Stromerzeugung Dabei ist ∆ tmA die mittlere Temperatur des Heizmediums im Warmwasserbereitung
entsprechenden Erzeugungsprofil der regionalen Stromerzeu- à Stündliche Erzeugerleistung Wärmepumpe Auslegungsfall
gung. Auf diese Weise können Deckungsgrad, Eigenverbrauch à Stündlicher Netzbezug Wärmepumpen können das zugeführte Medium nicht beliebig
sowie Autarkiegrad der Energieversorgungsvarianten bestimmt à Stündliche Einspeisung hoch erhitzen. Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen kann von einer
werden. à Eigenverbrauch Grenztemperatur tGrenz von 55 °C ausgegangen werden.
à Deckungsgrad und ∆ tHA die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf-
Das Modell beinhaltet die stündlichen Werte der à Autarkiegrad temperatur des Heizmediums im Auslegungsfall. Da bei der Trinkwassererwärmung aus hygienischen Gründen
à Wärmeverbräuche für Heizwärme und Trinkwarmwasser eine Temperatur von mindestens 70 °C gewährleistet werden
à Stromverbräuche der Wärmepumpen muss, wird zusätzlich zu der Wärmepumpe eine elektrische
à Stromverbräuche anhand des Standardlastprofils Direktheizung eingesetzt.
à Stromerzeugung der PV-Anlage 6.2 Berechnungsgang Der Belastungsgrad φ des Wärmeerzeugers wird näherungs-
à gespeicherten Energie der Strom- und Wärmespeicher weise wie folgt bestimmt: Der Wärme- sowie Strombedarf für die elektrische Direkthei-
Der Berechnungsablauf sowie die zu Grunde gelegten Formeln zung berechnet sich nach Formel 7.
Die Speichergrößen sind flexibel wählbar. werden nachfolgend schrittweise beschrieben. Die Daten liegen
in einer Schrittweite von einer Stunde vor. Die Berechnung er-
Die Berechnungen erfolgen für jeden Sektoren separat und folgt stündlich.
werden in einem gesonderten Berechnungsschritt zusammen- Ist die Außentemperatur ta ( )>15 °C, so ist die Heizgrenz-
geführt. temperatur erreicht und der Anlagenbelastungsgrad somit null. Der Strombedarf für die gesamte Warmwasserbereitstellung er-
gibt sich durch Addition des Strombedarfs der Wärmepumpe und
Neben den Strombedarfs- und Stromerzeugungsprofilen der ein- der elektrischen Direktheizung.
zelnen Sektoren beinhaltet die Zusammenführung das Strom-
erzeugungsprofil der PV-Freiflächenanlagen und optional das
Lastprofil der Elektromobilität sowie einen zentralen Strom-
speicher.20 | | 21
6.2.3 Bilanzierung Strom wird ausschließlich zur Deckung des Haushaltsstrom- Die verwendeten Lastprofile für die einzelnen Sektoren sind in 6.3.2 Wärmelastprofil
bedarfs verwendet. Die Wärmepumpen werden nicht mit dem Tabelle 6.2 angegeben.
Der erzeugte Strom der PV-Anlage wird zunächst zur Deckung gespeicherten Strom versorgt. Ist nach Beladen des Stromspei- Das Wärmelastprofil der Heizwärme wird mittels des außentem-
des eigenen Strombedarfs (exklusive Wärmepumpe) genutzt. chers immer noch ein Stromüberhang des PV-Stroms zu ver- peraturabhängigen Belastungsgrades des Wärmeerzeugers er-
Wird mehr PV-Strom erzeugt als zur Deckung des Strombedarfs zeichnen, wird dieser zum Betrieb der Wärmepumpen genutzt. Sektor Verwendetes Lastprofil stellt. Es erfolgt keine Berücksichtigung von Wärmespeicher-
nötig ist, entsteht ein Stromüberhang. Mit diesem Stromüber- Die Wärmepumpen beladen die Wärmespeicher. Die Wärme- vorgängen im Gebäude.
hang werden die dezentralen Stromspeicher beladen und somit speicher dienen zur Deckung des Wärmebedarfs für Trinkwarm- Privathaushalte H0 (Privathaushalte) Die Daten über die Außentemperatur stammen vom DWD. Um
der Eigenverbrauchsanteil am PV-Strom erhöht. wassererwärmung und Heizung. Sind die Wärmespeicher bela- einen typischen Jahresverlauf der Temperatur abzubilden, er-
den, wird der weitere Stromüberhang in das Netz eingespeist. GHD G0 (Gewerbe, allgemein) folgt eine Mittelung der Daten der letzten 10 Jahre. Die Werte
Kann der Wärmebedarf durch den Wärmespeicher nicht gedeckt werden stündlich gemittelt.
werden, wird Strom aus dem Netz bezogen. Industrie G0 (Gewerbe, allgemein)
Stromnetz 65 %: G1 (Verwaltungsgebäude)
Kommunale 35 %: G2 (Gaststätten,
6.3 Datengrundlage Einrichtungen Sportvereine, Freizeit) Die Wärmeleistung wird durch Variation so festgelegt, dass
SB: (Straßenbeleuchtung) der Jahresheizwärmebedarf gedeckt wird. Das Wärmelast-
Um die Berechnungen des beschriebenen Modells durchführen profil der Trinkwassererwärmung wird gleichmäßig über das
Wärme- Wärme- Wärme- zu können, sind belastbare Last- und Erzeugungsprofile in einer Tabelle 6.2: verwendete Standardlastprofile Jahr verteilt. Bei den Privathaushalten ergibt sich dadurch eine
pumpe speicher bedarf
entsprechenden Auflösung erforderlich. stündliche Grundlast von 121,7 kWh. Für den prozessbedingten
Wärmebedarf im Industriesektor wird hier kein Wärmelast-
profil erzeugt.
PV Strom-
bedarf
Strom-
speicher
6.3.1 Stromlastprofil
Abb. 6.2: Reihenfolge Bilanzierung Berechnungsmodell Als Strombedarfsprofile werden die vom Bundesverband der 1200
Energie- und Wasserwirtschaft e. V. (BDEW) herausgegeben Stan-
dardlastprofile (SLP) aus dem Jahr 2015 verwendet [18]. Diese
stellen eine errechnete Prognose des Stromlastprofils dar und
1000
Die Stromspeicher werden als Kurzzeitspeicher ausgelegt. werden für verschiedene Abnehmergruppen mit einem ähnli-
Reicht der PV-Strom zur Deckung des Bedarfs nicht aus, so wird chen Abnehmerverhalten erstellt.
der Strom aus dem Stromspeicher entnommen. Ist der Strom- Die SLP werden in einer Auflösung von 15 Minuten herausgege-
speicher zu diesem Zeitpunkt nicht beladen, erfolgt zur Deckung ben. Da das Excel-Tool mit stündlichen Werten rechnet, werden 800
Heizwärmebedarf in kWh
der Differenz ein Strombezug aus dem Netz. Der gespeicherte die Werte des SLP zu stündlichen Werten zusammengefasst.
600
500
bezogener Strombedarf in KWh
400 400
300
200
200
SLP H0
SLP G0 0
100 SLP G1
01.01. 00:00
11.01. 00:00
21.01. 00:00
31.01. 00:00
10.02. 00:00
20.02. 00:00
02.03. 00:00
12.03. 00:00
22.03. 00:00
01.04. 00:00
11.04. 00:00
21.04. 00:00
01.05. 00:00
11.05. 00:00
21.05. 00:00
31.05. 00:00
10.06. 00:00
20.06. 00:00
30.06. 00:00
10.07. 00:00
20.07. 00:00
30.07. 00:00
09.08. 00:00
19.08. 00:00
29.08. 00:00
08.09. 00:00
18.09. 00:00
28.09. 00:00
08.10. 00:00
18.10. 00:00
28.10. 00:00
07.11. 00:00
17.11. 00:00
27.11. 00:00
07.12. 00:00
17.12. 00:00
27.12. 00:00
SLP G2
0 SLP SB
05.01.
06.01.
07.01.
08.01.
09.01.
10.01.
11.01.
12.01.
Abb. 6.4: Jahresverlauf Heizwärmebedarf Heizwärmebedarf
Abb. 6.3: Beispielhafter Lastverlauf Standardlastprofil22 | Auswertung | 23
6.3.3 Verkehr 6.3.4 Erzeugungsprofil Photovoltaik 6.3.5 Grenzen des Berechnungsmodells Vergleich 1 V1b Vergleich 1 V1c
V1a
E-Mobilität Speicher
Das Lastprofil der Elektromobilität hängt stark von der Anschluss – Um das Erzeugungsprofil der Photovoltaik zu generieren, wurde Aufgrund der Datenlage und um die Anwendbarkeit des Modells
und Ladeleistung sowie dem zeitlichen Ladeverhalten der Ver- das Programm PVSol verwendet. PVSol berücksichtigt bei zu gewährleisten, wurden Vereinfachungen getroffen: Vergleich 2
braucher ab. Bisher existieren dazu kaum verlässliche Daten. Als der Berechnung der Leistung den Anstellwinkel, die Ausrich- Vergleich 2
V2a V2b
Basis dient ein vom Fraunhofer ISE generiertes Lastprofil. Das tung, Temperaturschwankungen, anlagenspezifische Verluste Keine Betrachtung einer kostenoptimierten bzw. netzdien-
à
PV-Ausbau Sanierung
Profil basiert auf dem Fahrverhalten der Verbraucher und wurde sowie sonnenreiche und -arme Tage. Die Ausgabe der Erzeuger- lichen Speicherbe- und entladung
anhand der Daten aus „Mobilität in Deutschland 2008“ (MID) [19] leistung erfolgt in Stundenwerten. Für die PV-Dachanlagen wird Der Stromspeicher wird nicht zur Unterstützung des Wärme-
à Vergleich 3
generiert. Das Fraunhofer ISE hat auf Grundlage des Profils eine ein mittlerer Neigungswinkel von 35° angenommen. Für Frei- pumpenbetriebs eingesetzt
Unterscheidung zwischen Wochen- und Werktagen vorgenom- landflächen ein optimaler Neigungswinkel von 30°. Der, durch Die Möglichkeit der Anpassung der Lasten an die Erzeugung
à V3
men. Nach diesem Modell werden die Elektrofahrzeuge nach ihrer die Ausrichtung einer Anlage sich ändernde, Tagesverlauf wird wird nicht berücksichtigt (Lastmanagement) Zentrale WV Abb. 7.1: Vergleichsschema
Ankunft vollständig beladen. Ein hinsichtlich der Netzbelastung durch die Verwendung der drei Erzeugungsprofile entsprechend à Speicherverluste werden vernachlässigt (5–10 %)
optimiertes Ladeverhaltens wird im Modell nicht berücksichtigt. der Ausrichtung der Häuser: Süden, Osten und Westen berück- Vernachlässigung stationärer und instationärer Wärmespei-
à
sichtigt. chervorgänge im Gebäude
Annahme: Wärmeübergabe via Fußbodenheizung à nicht
à 7.1 Energetischer Vergleich
300 Daraus resultieren beispielhaft für Variante 1 die in Tabelle 6.3 immer umsetzbar
beschriebenen Erzeugerprofile. Die Stromlastprofile im Viertelstundentakt werden zu stünd-
à 7.1.1 Grundlagen Energetische Auswertung
bezogener Strombedarf in KWh
250 lichen Werten zusammengefasst à Glättung von Lastspitzen
à Mittelung der Wetterdaten der letzten 10 Jahre Um die verschiedenen Varianten hinsichtlich ihrer energeti-
200 à Keine Betrachtung von Extremwetterlagen schen Merkmale miteinander zu vergleichen werden, neben der
Der prozessbedingte Wärmebedarf im Industriesektor kann
à Stromeinspeisung und dem Stromnetzbezug, der Deckungs-,
150 Neigungs- Mittlerer nicht berücksichtigt werden
Name Ausrichtung Eigenverbrauchs- und Autarkiegrad bestimmt.
winkel spez. Ertrag Keine Berücksichtigung andere Wärmequellen für die Wärme-
à
100 pumpe Der Deckungsgrad gibt an, welcher Anteil des Energiebedarfs
PVOst 35° Ost 775 kWh/kWp Energiebedarf des Verkehrssektors teilweise nicht berück-
à durch die eigene Energieerzeugung gedeckt werden kann.
50 sichtigt, da der Bezug außerhalb des Bilanzkreises erfolgt
PVWest 35° West 775 kWh/kWp
0
PVSüd 35° Süd 990 kWh/kWp
05.01. 00:00
06.01. 00:00
07.01. 00:00
08.01. 00:00
09.01. 00:00
10.01. 00:00
11.01. 00:00
12.01. 00:00
7 Auswertung Der Anteil der erzeugten Energie, der direkt verbraucht und nicht
PVFL,Süd 30° Süd 1.050 kWh/kWp in das Netz eingespeist wird, wird durch die Eigenverbrauchs-
quote beschrieben.
PVFL,O/W 30° Ost/West 850 kWh/kWp Auf Basis der untersuchten Energieversorgungsmethoden wer-
Lastprofil der Elektrofahrzeuge
den folgende Vergleiche angestellt:
Abb. 6.5: Wöchentliches Lastprofil der Elektrofahrzeuge Tabelle 6.3: Eigenschaften der Photovoltaik Erzeugungsprofile Vergleich 1: Eigenverbrauchssteigerung bei Nutzung des vollen
PV-Potentials durch Elektromobilität und Zubau
7 eines zentralen Stromspeichers (V1a, V1b, V1c)
Vergleich 2:
Auswirkung eines geringeren Ausschöpfungsgra- Je höher der Autarkiegrad ist, desto geringer ist der Anteil an
6 des des PV-Potentials sowie eines erhöhten Heiz- Energie, der zur Deckung des Energiebedarfs aus dem Netz be-
wärmebedarfs durch Verfehlung der Sanierungs- zogen werden muss.
5 ziele (V1a, V2a, V2b)
Stromertrag in KWh
Vergleich 3: Vergleich zwischen dezentraler und zentraler Wärme-
4 versorgung (V2a, V3)
3 Ein hoher Stromeigenverbrauch sowie möglichst geringe Strom-
netzbezüge sind für die Wirtschaftlichkeit der Anlage erstre-
2 benswert. Möglichst geringe Schwankungen der Netzeinspei-
Ost 35° sung und des Strombedarfs sind für den Betrieb des Strom-
1
Süd 35° netzes von Vorteil.
0 West 35°
21.06. 00:00
21.06. 01:00
21.06. 02:00
21.06. 03:00
21.06. 04:00
21.06. 05:00
21.06. 06:00
21.06. 07:00
21.06. 08:00
21.06. 09:00
21.06. 10:00
21.06. 11:00
21.06. 12:00
21.06. 13:00
21.06. 14:00
21.06. 15:00
21.06. 16:00
21.06. 17:00
21.06. 18:00
21.06. 19:00
21.06. 20:00
21.06. 21:00
21.06. 22:00
21.06. 23:00
Abb. 6.6: Tagesverlauf
Stromertrag für verschiedene
Ausrichtungen24 | | 25
7.1.2 Vergleich der Energieversorgung ist in diesem Zeitraum eine autarke jedoch annähernd bei null. Fluktuierende Stromeinspeisungen
V1a V1b V1c Stromversorgung der Kommune denkbar. In den Wintermonaten können auf diese Weise verhindert und die Netzbelastung mini-
Vergleich: Variante 1 ist der Stromnetzbezug sehr hoch, die Stromeinspeisung liegt miert werden.
Trotz einer Stromerzeugung von 7,0 GWh bei einem Jahres- Jahresstrombedarf 4,89 GWh 7,10 GWh
strombedarf von 7,1 GWh sind der Netzbezug mit 2,24 GWh so-
wie die Stromeinspeisung mit 4,35 GWh bei Variante 1a verhält- Jahresstromerzeugung 7,00 GWh 5500
nismäßig hoch. Die Eigenverbrauchsquote beläuft sich auf 38 %, 5000
der Autarkiegrad auf 54 %. Deckungsgrad 143 % 99 % 4500
4000
Der in Variante V1a anfallende Stromüberhang kann zur Ver- Überhang 2,11 GWh -0,13 GWh
Strombezug/-erzeugung in kWh
3500
sorgung der Elektromobilität genutzt werden. Diese Möglichkeit
wird in Variante V1b untersucht. Durch die zusätzliche Last der 3000
Elektromobilität entsteht ein erhöhter Strombedarf. Der Eigen- Stromnetzbezug 2,24 GWh 3,51 GWh 2,52 GWh 2500
verbrauch erhöht sich und die Stromeinspeisung in das Strom- 2000
netz wird reduziert. Da jedoch kein netzdienliches Ladeverhalten Stromeinspeisung 4,35 GWh 3,37 GWh 2,39 GWh 1500
betrachtet, sondern angenommen wird, dass die Fahrzeuge di-
1000
rekt nach ihrer Ankunft vollständig beladen werden, tritt keine PV-Strom-
2,65 GWh 3,63 GWh 4,61 GWh 500
signifikante Reduktion der stündlichen Spitzeneinspeisung im Eigenverbrauch
Sommer auf. Der maximale stündliche Stromnetzbezug erhöht 0
sich, wodurch die Netzbelastung zunimmt. Aus diesem Grund Eigenverbrauchsquote 38 % 52 % 66 % -500
wird dem System in Variante V1c ein zentraler Stromspeicher mit -1000
einer Kapazität von 6400 kWh hinzugefügt. Autarkiegrad 54 % 51 % 65 % -1500
-2000
Der Einsatz des Speichers führt zu einer weiteren Erhöhung des Dez. Speicher-
1450 kWhel, 6355 kWhth
01.01. 00:00
11.01. 00:00
21.01. 00:00
31.01. 00:00
10.02. 00:00
20.02. 00:00
02.03. 00:00
12.03. 00:00
22.03. 00:00
01.04. 00:00
11.04. 00:00
21.04. 00:00
01.05. 00:00
11.05. 00:00
21.05. 00:00
31.05. 00:00
10.06. 00:00
20.06. 00:00
30.06. 00:00
10.07. 00:00
20.07. 00:00
30.07. 00:00
09.08. 00:00
19.08. 00:00
29.08. 00:00
08.09. 00:00
18.09. 00:00
28.09. 00:00
08.10. 00:00
18.10. 00:00
28.10. 00:00
07.11. 00:00
17.11. 00:00
27.11. 00:00
07.12. 00:00
17.12. 00:00
27.12. 00:00
Eigenverbrauchs und einer Verringerung der Stromeinspeisung. kapazitäten
Ein Autarkiegrad von 65 % wird erreicht. In den Sommermona-
ten ist der Stromnetzbezug sehr gering. Durch eine Optimierung Tabelle 7.1: Gegenüberstellung Werte Vergleich 1
Stromeinspeisung Stromnetzbezug
Abb. 7.3: Variante 1b
6000 5500
5500 5000
5000 4500
4500 4000
Strombezug/-erzeugung in kWh
Strombezug/-erzeugung in kWh
4000 3500
3500 3000
3000 2500
2500 2000
2000 1500
1500 1000
1000 500
500 0
0 -500
-500 -1000
-1000 -1500
-1500 -2000
01.01. 00:00
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Abb. 7.2: Variante 1a Stromeinspeisung Stromnetzbezug Abb. 7.4: Variante 1c Stromeinspeisung Stromnetzbezug26 | | 27
Vergleich: Variante 2 Die Nichteinhaltung der geplanten Sanierungsmaßnahmen führt 8 kWh
In Variante V2a wird im Vergleich zu Variante V1a mit einem ge- V2a V2b V2c zur Verringerung des Deckungsgrades um 10 %, zu einer weite-
7 kWh
ringeren Ausbau der Photovoltaik und damit einer Verringe- ren Erhöhung des Eigenverbrauchs sowie einer weiteren Verrin-
rung der jährlichen Solarstromerzeugung gerechnet. Der jähr- Jahresstrombedarf 4,89 GWh 4,86 GWh 5,70 GWh gerung der Autarkiequote. 6 kWh
liche Solarstromertrag wird von V1a (7 GWh) zu V2a (3,2 GWh)
mehr als halbiert. Dadurch kommt es zu einer Verringerung des Jahresstromerzeugung 7,0 GWh 3,10 GWh Vergleich: Variante 3 5 kWh
Millionen
Deckungsgrades von 143 % auf 65 %. Ein direkter energetischer Vergleich der Variante 3 mit den an-
Deckungsgrad 143 % 64 % 54 % deren Varianten ist nicht sinnvoll, da in Variante 3 lediglich ein 4 kWh
Die Stromeinspeisungen reduzieren sich deutlich von 4,35 GWh Ortsteil von Obergurig zentral mit Nahwärme versorgt wird und
auf 1,33 GWh. Der Eigenverbrauch steigt von 38 % auf 57 %. Es Überhang 2,11 GWh -1,77 GWh -2,64 GWh somit verschiedene Bilanzräume betrachtet werden. 3 kWh
kommt allerdings auch zu einer Zunahme des Stromnetzbezugs
2 kWh
und somit zu einer Verringerung des Autarkiegrades. Gesamt
Stromnetzbezug 2,24 GWh 3,10 GWh 3,87 GWh In der Jahresbilanz ist es theoretisch möglich den Strombe-
1 kWh
Die Verringerung der Netzeinspeisung führt zu einer Entlastung darf der Kommune mit dem vor Ort erzeugten PV-Strom zu de-
des Stromnetzes gegenüber Variante V1a. Die maximale stünd- Stromeinspeisung 4,35 GWh 1,33 GWh 1,23 GWh cken. Sowohl über das Jahr, wie auch über den Tag betrachtet, 0 kWh
liche Stromeinspeisung der Variante V2a im Sommer verringert fallen Stromerzeugung und Strombedarf allerdings nicht zeit- V1a V1cV1b V2a V2b V3
sich im Vergleich zu V1a erheblich. Der maximale stündliche PV-Strom- lich parallel an. Dadurch kann nur ein Teil des PV-Stroms in der mit SP
2,65 GWh 1,76 GWh 1,86 GWh
Strombezug im Winter bleibt unverändert. Eigenverbrauch Kommune verbraucht werden. Eine Netzeinspeisung sowie ein Solarstromerzeugung Strombedarf
Der durch geringe Sanierungsgrade herbeigeführte höhere Heiz- Strombezug aus dem Stromnetz sind notwendig. In Abb. 7.7 ist Abb. 7.7: Solarstromerzeugung und Strombedarf der Varianten
wärmebedarf in Variante V2b hat insbesondere in den Winter- Eigenverbrauchsquote 38 % 57 % 60 % die Stromerzeugung dem Strombedarf der jeweiligen Varianten
monaten einen höheren Strombedarf der Wärmepumpen zur gegenübergestellt.
Folge. Da der erhöhte Stromverbrauch im Winter nicht mit Autarkiegrad 54 % 36 % 33 %
den Spitzen der PV-Stromerzeugung im Sommer zusammen- Um den realen Stromverbrauch sowie den Stromnetzbezug in
fällt, wird der Eigenverbrauch nur unwesentlich erhöht. Der Dez. Speicher- 1450 kWhel, 250 kWhel, 250 kWhel, der Gemeinde zu bestimmen, müssen die Last- und Erzeugungs-
Stromnetzbezug hingegen steigt. In den Wintermonaten ist ein kapazitäten 6355 kWhth 2355 kWhth 4710 kWhth profile miteinander abgeglichen werden. Dabei gilt: je kleiner die
Anstieg der maximal abgefragten Leistung von ca. 1000 kW auf Zeitschritte sind, desto genauer sind die Vorhersagen von Ein-
ca. 1500 kW zu verzeichnen. Tabelle 7.2: Gegenüberstellung Werte Vergleich 2 speisung und Netzbezug.
5500 5500
5000 5000
4500 4500
4000 4000
Strombezug/-erzeugung in kWh
Strombezug/-erzeugung in kWh
3500 3500
3000 3000
2500 2500
2000 2000
1500 1500
1000 1000
500 500
0 0
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Abb. 7.5: Variante 2a Stromeinspeisung Stromnetzbezug Abb. 7.6: Variante 2b Stromeinspeisung StromnetzbezugSie können auch lesen
