Machbarkeitsstudie GESCHÄFTSMODELLENTWICKLUNG FÜR GLEICHSTROM-BASIERTE SMART GRIDS IN WOHNGEBIETEN - Zukunftsagentur ...
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Machbarkeitsstudie zur GESCHÄFTSMODELLENTWICKLUNG FÜR GLEICHSTROM- BASIERTE SMART GRIDS IN WOHNGEBIETEN Autoren: Herr Dr. Christian Haag (hgDEV) Frau Gonca Gürses (FEN)
Verzeichnisse II Inhaltsverzeichnis 1 Vorwort ....................................................................................................... 7 1.1 Motivation ............................................................................................. 7 1.2 Vorteile der Gleichstromtechnologie .................................................... 9 1.3 Zielsetzung der Studie seitens der IRR .............................................. 11 2 Betrachtungsraum der vorliegenden Studie ......................................... 13 2.1 Definition eines typischen Einfamilienhauses in der Siedlung ............ 13 2.2 Definition der Siedlung ....................................................................... 15 2.3 Anbindung an das öffentliche Netz..................................................... 16 2.4 Vorstellung relevanter Netznutzungsfälle ........................................... 16 2.5 Stakeholderbetrachtung ..................................................................... 17 3 Rahmenbedingungen für die Geschäftsmodelle .................................. 20 3.1 Investitionsbedarf ............................................................................... 20 3.1.1 Anschaffungskosten für das DC-Haus .................................. 21 3.1.2 Anschaffungskosten für die Siedlung .................................... 24 3.1.3 EE-Dienstleister .................................................................... 24 3.2 Energiesteuern und Abgaben............................................................. 25 3.2.1 Umsatzsteuer ........................................................................ 26 3.2.2 Stromsteuer .......................................................................... 26 3.2.3 Einkommens- & Gewerbesteuer ........................................... 26 4 Vorstellung der Geschäftsmodelle......................................................... 28 4.1 All-Electric Haus ................................................................................. 28 4.2 All-Electric-Haus mit internem DC-Netz ............................................. 31 4.3 DC-Siedlung mit DC-Straßenbeleuchtung.......................................... 35 4.4 DC-Siedlung mit DC-Mini-Windturbine ............................................... 38 4.5 DC-Siedlung mit zentraler Batterie ..................................................... 41 4.6 DC-Siedlung mit E-Auto-Flotte ........................................................... 44 4.7 DC-Siedlung mit Wasserstoffelektrolyse ............................................ 46 4.8 Bewertung der entwickelten Geschäftsmodelle.................................. 48 5 Klärung grundsätzlicher Fragestellungen ............................................. 50 6 Executive Summary................................................................................. 52
Verzeichnisse III 6.1 Deutsche Version ............................................................................... 52 6.2 English Version .................................................................................. 53 7 Literaturverzeichnis................................................................................. 55 8 Anhang ..................................................................................................... 56 8.1 Berechnungsgrundlage der Geschäftsmodelle .................................. 56 8.2 Technische Daten .............................................................................. 58 8.2.1 Datenblatt Windanlage .......................................................... 58 8.2.2 Datenblatt DC Spannungswandler ........................................ 59 8.2.3 Ladesteckervorrichtung Typ 2 ............................................... 60 8.2.4 Windauswertung ................................................................... 60 8.3 Auszug weiterer DC-Gebäudeprojekte ............................................... 62
Verzeichnisse IV Abbildungsverzeichnis Abbildung 1-1: Exemplarische Darstellung der Interdependenzen zwischen Energiebedarf und wachsendem BIP ....................................... 8 Abbildung 1-2: Exemplarischer Vergleich zwischen einem AC- und DC- Hausnetz mit Batterie ............................................................. 10 Abbildung 1-3: Energiesparpotenzial verschiedener DC-Anwendungen (Pantano et al. 2016) .............................................................. 11 Abbildung 2-1: Exemplarischer Lastprofilvergleich zwischen Winter und Sommer.................................................................................. 14 Abbildung 2-2: Zusammensetzung der Kosten pro kWh ................................. 18 Abbildung 3-1: Referenz Wohngebäude.......................................................... 20 Abbildung 4-1: Vorstellung der Varianten ........................................................ 28 Abbildung 4-2: Schematische Darstellung des All-Electric-Hauses ................. 29 Abbildung 4-3: Vergleich zwischen Winter und Sommer ................................. 30 Abbildung 4-4: Kosten- und Erlösgegenüberstellung....................................... 30 Abbildung 4-5: All-Electric-Haus mit internem DC-Netz................................... 32 Abbildung 4-6: Kosten- und Erlösgegenüberstellung....................................... 32 Abbildung 4-7: Vergleich zwischen Winter und Sommer ................................. 33 Abbildung 4-8: Kabelbelegung für eine 5-adrige Hausverteilung ..................... 33 Abbildung 4-9: Logo für Endgerät mit DC Potenzial ........................................ 33 Abbildung 4-10: Darstellung der DC-Siedlung im DC-Inselnetz....................... 35 Abbildung 4-11: Kabelquerschnitt für die DC-Straßenbeleuchtung ................. 35 Abbildung 4-12: Kabelführung im Verbund der Siedlung ................................. 36 Abbildung 4-13: Kosten und Erlöse der vorgestellten Variante ....................... 37 Abbildung 4-14: Winter-/Sommervergleich ...................................................... 38 Abbildung 4-15: Aufbau des DC-Hauses in Verbindung mit einer Mini- Windturbine ............................................................................ 39
Verzeichnisse V Abbildung 4-16: Siedlungsdarstellung der DC-Siedlung mit DC-Mini- Windturbine ............................................................................ 40 Abbildung 4-17: Vergleich zw. Winter- und Sommertrag inkl. Überschuss ...... 41 Abbildung 4-18: DC-Haus in Kombination mit einer zentralen Batterie ........... 42 Abbildung 4-19: DC-Siedlung mit einer zentralen Batterie .............................. 42 Abbildung 4-20: Winter-/Sommervergleich ...................................................... 43 Abbildung 4-21: DC-Siedlung mit E-Auto-Flotte .............................................. 45 Abbildung 4-22: DC- Siedlung mit Wasserstoffspeicher .................................. 47 Abbildung 7-1 Steckerbelegung bei der Combo-2 Ladung .............................. 60
Verzeichnisse VI Tabellenverzeichnis Tabelle 2-1: Spezifizierung der Nutzer und Ausstattung.................................. 13 Tabelle 3-1: Vergleich unterschiedlicher Leuchtmittel [Quelle: vz-nrw]............ 23 Tabelle 4-1: Vor- und Nachteile der vorgestellten Variante ............................. 31 Tabelle 4-2: Vor- und Nachteile der vorgestellten Variante ............................. 34 Tabelle 4-3: Vor- und Nachteile der vorgestellten Variante ............................. 37 Tabelle 4-4: Vor- und Nachteile der vorgestellten Variante ............................. 40 Tabelle 4-5: Vor- und Nachteile der vorgestellten Variante ............................. 42 Tabelle 4-6: Vor- und Nachteile der vorgestellten Variante ............................. 46 Tabelle 4-7: Vor- und Nachteile der vorgestellten Variante ............................. 47 Tabelle 4-8: Spezifizierung der Bewertungskriterien ....................................... 48 Tabelle 4-9: Bewertung der einzelnen Geschäftsmodelle ............................... 49 Tabelle 7-1: Gegenüberstellung der Ersparnis und Investitionen .................... 57 Tabelle 7-2 Vertikalachsen Eindturbine Produktdatenblatt .............................. 58 Tabelle 7-3: Ausgewertetes Windprofil ............................................................ 60
Vorwort 7 1 Vorwort „Das Wirtschaften hat seinen Ursprung in der Not; sein Ziel ist Bedürfnisbefriedigung. Urgrund des Forschens ist die Neugier; seine Ziele sind Wahrheitssuche und Erkenntnis. (Erhardt, 2007, S. 5) 1.1 Motivation Die deutsche Energiewirtschaft befindet sich in einem Umbruch. Bis 2050 soll der Energieverbrauch um 50% gesenkt und aus 80% erneuerbaren Energien (EE) abge- deckt werden, während die CO2-Emmisionen - gegenüber 1990 - um 90% gesenkt werden sollen (Bundesregierung, 2016). Des Weiteren ratifizieren 2015 erstmalig auch Länder wie USA, China, Brasilien und Indien ein Klimaabkommen in Paris. Zent- rales Ziel der insgesamt 195 Länder ist es, die Erderwärmung auf deutlich unter 2 Grad Celsius pro Jahrhundert zu begrenzen (Zschiesche, 2016, S. 1-2). Die Mitgliedsstaaten der EU haben vereinbart, bis 2030 mindestens 40% weniger Treibhausgase auszustoßen als 1990. In der zweiten Hälfte des Jahrhunderts soll ein Gleichgewicht erreicht werden zwischen dem menschgemachten Ausstoß von Treib- hausgasen und der CO2-Bindung. Vor dem Klimagipfel im November 2015 in Paris haben 186 Staaten freiwillige nationale Klima-Ziele vorgelegt. Der Vertrag sieht vor, dass die selbstgesteckten Ziele ab 2023 alle fünf Jahre überprüft und verschärft wer- den. In den Jahren 2020 bis 2025 sollen die Industriestaaten jährlich 100 Milliarden Dollar für Entwicklungsländer bereitstellen. Für die Jahre danach soll ein neues, hö- heres Ziel festgelegt werden (BMZ, 2016, S. 1; Zschiesche, 2016, S. 1-2). Es wächst global der politische Wille, fossile und nukleare Energieträger verstärkt aus der Nut- zung zu nehmen und das mit teils sehr ambitionierten zeitlichen Zielen (FORUM Zeit- schriften und Spezialmedien GmbH, 2014, S. 2; Rosenkranz, 2015, S. 21-22). Die Zielrichtung der Energiewende bleibt auch im siebten Jahr ihrer Umsetzung trei- bende Kraft für die Strom- und Gasmärkte in Deutschland. Bis zum Jahr 2022 sollen alle Kernkraftwerke abgeschaltet und die Stromerzeugung mehrheitlich durch erneu- erbare Energieträger gewährleistet werden. Um diese Ziele zu erreichen, müssen mehr Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien an dafür optimalen Standorten
Vorwort 8 errichtet und der Ausbau der Stromnetze auf allen Netzebenen vorangetrieben wer- den (Agora Energiewende, 2014, S. 1). Allerdings sind diese Entwicklungen stark gegenläufig zu den Prognosen über den zukünftigen weltweit wachsenden Energiebedarf. Hier kommen mehrere Faktoren zu- sammen, z.B. eine schnell voranschreitende Elektrifizierung des allgemeinen Ver- kehrswesens sowohl auf der Schiene als auch auf der Straße sowie der stetig wach- sende Wohlstand und die Industrialisierung von Entwicklungs- und Schwellenländern und den daran geknüpften Bedarf an (elektrischer) Energie, wie Abbildung 1-1 dar- stellt (Prognos, 2005, S. 5; The World Bank Group, 2016). Auch die Baubranche, sowohl für gewerbliche wie auch für private Gebäude, setzt zunehmend auf elektrische Energie zum Heizen und Kühlen von Gebäuden. Dieser Trend wird durch entsprechende Gebäudecodes verstärkt. So erhalten in Deutschland private Gebäude nur noch einen KfW 55-Standard, wenn auf fossile Energieträger verzichtet wird. Der Staat unterstützt diese Maßnahme durch entsprechende Förde- rungen bei Niedrig-Energiehäusern (KfW, 2016). Deutschland 8000 4000 7000 3500 US $ (in Mrd.) kWh pro Kopf 6000 3000 5000 2500 4000 2000 3000 1500 2000 1000 1000 500 0 0 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Jahr China Chile 3500 7000 3500 250 3000 6000 3000 200 US $ (in Mrd.) 2500 kWh pro Kopf 2500 5000 US $ (in Mrd.) kWh pro Kopf 2000 150 2000 4000 1500 100 1500 3000 1000 1000 2000 50 500 500 1000 0 0 1960 1970 1980 1990 2000 2010 0 0 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Jahr Abbildung 1-1: Exemplarische Darstellung der Interdependenzen zwischen Ener- giebedarf und wachsendem BIP
Vorwort 9 Es besteht eine Notwendigkeit für neue Geschäftsmodelle in Kontext der Energie- wende, die besonderen Fokus auf die positiven Elemente der Energiewende legen. Ziel der Energiewende sind nicht Verbote oder Restriktionen, es sollten vielmehr die Chancen und Möglichkeiten durch die Transformation dargestellt werden. Die Menschheit und auch Deutschland hat bereits mehrere Energiewenden durchlebt, z.B. die Dampfmaschine, Atomenergie oder Kohleenergie. Der Fokus in dieser Studie liegt auf elektrischer Energie. Den Autoren ist durchaus die Wichtigkeit der Sektorenkopplung bekannt, sie wird aber in diesem Rahmen nur durch den Aspekt Verkehr berücksichtigt. In den nachfolgenden Varianten wird nur elektrisch erzeugte Wärmeenergie einbezogen. 1.2 Vorteile der Gleichstromtechnologie Die Geschäftsmodelle haben als zentralen Bestandteil die Gleichstrom (DC)- Technologie. Dabei werden wesentliche Vorteile wie bessere Effizienz und höhere Zuverlässigkeit des Gesamtsystems adressiert. Zum einen kann durch eine DC-Haus- Installationslösung eine Reihe an Umwandlungsschritten von Gleichstrom zu Wech- selstrom vermieden werden. Dies beruht darauf, dass sowohl Photovoltaik- als auch Batterieeinheiten die Energie in Form von Gleichstrom produzieren oder respektive speichern. Zudem ist in einer Vielzahl von Netzteilen der Haushalts- und Unterhal- tungselektronik eine Transformation von Wechselstrom zu Gleichstrom nötig. Exper- ten schätzen, dass es mehr als 80% der Geräte im Haushalt sind. Abbildung 1-2 stellt die Umsetzung einer konventionellen Hausinstallation mit einem Wechselspannungs- netz (AC) einer DC-Haus Variante gegenüber. Zum einen wird dabei deutlich, dass in der DC-Lösung Komponenten wie AC/DC-Wandler eingespart werden und somit In- stallationskosten reduziert werden. Zum anderen kann signifikant ein höherer Wir- kungsgrad des Gesamtsystems erreicht werden, sodass die Energieerzeugung, -spei- cherung und -nutzung weniger Verluste aufweist. Somit kann sowohl die Energieab- nahme reduziert als auch das Potenzial dezentraler Energieerzeugung stärker ausge- schöpft werden. Des Weiteren gelten AC/DC-Wandler als Hauptursache für einen De- fekt an Geräten.
Vorwort 10 Abbildung 1-2: Exemplarischer Vergleich zwischen einem AC- und DC-Hausnetz mit Batterie In der heutigen Zeit würde die AC-Installation nicht zurückgebaut, sondern weiterhin als Backup-System genutzt, indem die traditionelle Wechselstromanbindung zum Ba- ckup-System wird und das DC-System hauptsächlich die Stromversorgung über- nimmt. Ein Großteil mobiler Geräte wie Tablets und Smartphones werden bereits über eine klassische USB 2.0 oder 3.0 mit 5V DC versorgt. Der neuste USB-Standard, USB 3.1 Typ- C-, bietet sogar die Möglichkeit Geräte mit ca. 100W zu versorgen. Dieser Stan- dard könnte als Ergänzung im Haus für Spezial-Steckdosen mit USB-Anschluss die- nen.
Vorwort 11 DC Haus DC Haus & PV- Anlage DC Haus & PV- Anlage & Batteriespeicher 0% 5% 10% 15 % 20 % Abbildung 1-3: Energiesparpotenzial verschiedener DC-Anwendungen (Pantano et al. 2016) Abbildung 1-3 spiegelt das Einsparpotenzial von DC-Verteilung inkl. einer PV-Anlage und/oder Batterie dar. Hier wird deutlich, dass die Effizienzsteigerung im Vergleich zu einem klassischen AC-Netz signifikant ist. 1.3 Zielsetzung der Studie seitens der IRR Im Themenfeld der Energiewende werden u.a. Projekte entwickelt, in denen neben einem größeren Einsatz regenerativer Energiequellen zur Stromproduktion auch die Stromnetze optimiert werden. Hier kann durch die Weiterentwicklung der Gleichstrom- Technologie in intelligenten Inselnetzen ein wesentlicher Beitrag geleistet werden. Da- für sind Pilotprojekte erforderlich, die sich im Rheinischen Revier im Zuge von konkre- ten Vorhaben zu Klimaschutzsiedlungsprojekten umsetzen lassen. Hier soll der An- satz verfolgt werden, eine Quartierslösung mit gleichstrom-basierten Smart Grids für Prosumersysteme zu entwickeln. Der Energiebedarf soll dabei weitestgehend durch erneuerbare Energien gedeckt werden. Durch Speicherlösungen soll das System eine optimierte Auslegung erfahren. Aufgrund der komplexen Verhältnisse im Hinblick auf energiewirtschaftliche und energierechtliche Rahmenbedingungen und Weiterentwicklungen sowie auf den innovativen Einsatz der DC-Technologie ist zur optimalen Gestaltung des Prototyps eine Machbarkeitsstudie erforderlich. Mittels ei- nes fiktiven Projekts für eine Klimaschutzsiedlung im Rheinischen Revier soll darge- stellt werden, welche Aspekte zu berücksichtigen sind und welche Schlussfolgerun-
Vorwort 12 gen daraus für die Gestaltung des Konzepts erwachsen und welche sinnvollen Ver- marktungsmodelle sich ergeben. Dabei sollen zwei Varianten betrachtet werden. In einer ersten Stufe soll die Situation für die Realisierung an einem Haus, in der zwei- ten Stufe die bei der Verwirklichung als Verbund mit mehreren Gebäuden im Schwarm untersucht werden. Ziel der Studie ist es, erste Ansätze für optimierte Geschäftsmodelle zu beschreiben. Dabei werden die aktuell geltenden Rahmenbedingungen berücksichtigt und die sich für die Zukunft abzeichnenden Veränderungen abgeschätzt, soweit dies möglich ist. In dem Zusammenhang stellen sich eine Reihe konkreter Fragen. Die nachfolgenden Kapitel widmen sich zuerst den Modellrechnungen und anschließend den grundsätz- lichen Fragen, die auf Basis des gegenwärtigen Kenntnisstandes soweit wie möglich beantwortet werden. Diese Schlüsselfragen, die sich aus der Stakeholder Perspektive ergeben, würde ich in einem gesonderten Kapitel beantworten sowie in der Zusam- menfassung aufgreifen. • Ist ein DC-Inselnetz in einem Haus möglich? Wenn ja, welche Umbaumaßnah- men müssen ergriffen werden? Gibt es schon weltweite Referenzobjekte, die einem deutschen Sicherheitskonzept entsprechen? Welche technischen Mög- lichkeiten und Voraussetzungen für Sicherung, Kabel, Endgeräte, Geräte für den Betrieb eines DC-Inselnetzes gibt es? • Ist der Austausch des üblichen Straßenbeleuchtungskabels im gesamten Quar- tier gegen ein fünfadriges Kabel ausreichend, an welches die DC-Abnehmer (Straßenbeleuchtung/Haushalte) angeschlossen werden oder müssen weiterge- hende technische Voraussetzungen geschaffen werden? Hier ist auch noch die Frage nach der Ortsnetzstation sowie nach dem Stand der Normung von Bedeutung. Es ergibt sich in den Diskussionen z.B. die konkrete Frage 'Kann man einfach ein fünfadriges Kabel verbauen, wie sehen die Farben aus, ist das genormt und kann man ein Haus versichern? In den nachfolgenden Kapiteln werden diese Fragen beantwortet sowie weiterge- hende Untersuchungen und Überlegungen vorgestellt.
Betrachtungsraum der vorliegenden Studie 13 2 Betrachtungsraum der vorliegenden Studie 2.1 Definition eines typischen Einfamilienhauses in der Siedlung Nachfolgend werden die Nutzer/Bewohner und die Struktur sowie die technische Aus- stattung der Gebäude beschrieben. Die hier zugrunde gelegten Werte sind modellty- pisch und stellen keinen repräsentativen Durchschnitt dar. Jedoch zeigen sie die typi- sche Struktur von Neubaugebieten auf. Der Fokus der Aufgabenstellung liegt auf der Entwicklung von Geschäftsmodellen im urbanen Lebensraum und in Wohnneubaugebieten. Es handelt sich hierbei um den sog. „green field approach“. Durch diesen Ansatz können eine Vielzahl von Restrikti- onen, die sonst bei Modernisierungen oder Restrukturierungen zu berücksichtigen sind, außer Acht gelassen werden. Tabelle 2-1: Spezifizierung der Nutzer und Ausstattung Annahme Grund 4-köpfige Familie (2 Erwachsene (eine Person Nutzung von realen Lastprofilen erwerbstätig)/2 schulpflichtige Kinder) Neubau nach KfW55, kein Öltank oder Gasanschluss, Identifikation des Primärenergieträgers und Gesamtenergiebedarf Wärme und Warmwasser über Luft-Wasser-Wärmepumpe Wohnfläche: 250 m², umbauter Raum: 600 m³ Heizbedarf im Gebäude, Größe des Quartiers in Bezug auf Kabellängen, Belüftungsanlagen Haus ist mit PV 7,8 kWpeak und 9kWh Batterie (Li-Ion) E-Fahrzeug (Verbrauch von E-Autos: 15-25 kWh/100 km) E-Autos fungieren als Speicher der eigenerzeugten Leistung Typischer Energiebedarf eines modernen Hauses: 11.000 kWh/Jahr (ca. 30 kWh/Tag), selbsterzeugter PV- Strom 8.500 kWh (ca. 23,3 kWh/Tag), 5.000 kWh (ca. 13,7 kWh/Tag) aus dem öffentlichen Netz und 2500 kWh (ca. 6,8 kWh/Tag) werden einspeist. Häuser wurden früher mit Öl oder Gas und elektrischer Energie versorgt/betrieben. Es entfielen ca. 4000 Liter auf Öl (äquivalent 40.000 kWh elektrischer Energie) und ca. 5.000 kWh auf elektrische Energie für Endgeräte. Moderne Häuser benötigen nur noch ein Viertel der Energie. Gas/Öl-Heizungen sind in dieser kleinen Dimensionierung nicht effizient zu betreiben und entsprechende Anschlüsse zu teuer. Für die weiteren Berechnungen werden diese Standardlastprofile verwendet. Um auf die saisonalen Schwankungen in Bezug auf Erzeugung und Verbrauch einzugehen, wird exemplarisch ein Profil an einem sommerlichen Tag und eins im Winter verwen- det.
Betrachtungsraum der vorliegenden Studie 14 Messdatum: 21.12.2016 Messdatum: 22.06.2017 Erzeugung 13,35 kWh Erzeugung 44,63 kWh Verbrauch 46,98 kWh Verbrauch 16,37 kWh Abbildung 2-1: Exemplarischer Lastprofilvergleich zwischen Winter und Sommer
Betrachtungsraum der vorliegenden Studie 15 Wie die Abbildungen zeigen, besteht ein signifikanter Unterschied zwischen einem Sommer- und Wintertag. • Sommer: Viel PV, mäßige Windstärke, wenig Verbrauch. • Winter: wenig PV (1/3-1/4), moderate Windstärke (2x), viel Verbrauch (3-4x) In der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wird keine 100%ige Autonomie eines einzelnen Hauses angestrebt. Jedoch könnte die Kombination mit anderen Häusern und einer zentralen Windturbine oder zentraler Speicher eine Autonomie der Siedlung ermögli- chen. 2.2 Definition der Siedlung Nachfolgend werden diese Rahmenbedingungen für die weitere Betrachtung zu- grunde gelegt. Die Siedlung verfügt über eine moderne Straßenbeleuchtung basie- rend auf Gleichstromtechnik unter Einsatz von LED Leuchtmitteln. In der Siedlung werden insgesamt zehn Häuser miteinander elektrisch verbunden. Da das Wohnge- biet befahrbar sein soll und einen Gehweg aufweist, entspricht die Beleuchtungssitu- ation D3 bzw. D4 nach DIN 13201. Dabei ist eine mittlere Beleuchtungsstärke von 2- 15 Lux erforderlich, um entgegenkommende Personen rechtzeitig zu erkennen und Kriminalitätsfälle einzudämmen. Pro Modul ergibt sich durchschnittlich eine Leistungs- aufnahme von 18-24W für die Straßenbeleuchtung. Zur Berechnung des Strombe- darfs dieser Beleuchtung wurde pro Haus eine Leuchte eingeplant, sodass zehn La- ternen mit einem durchschnittlichen Abstand von 20-25 Metern in die Siedlungspla- nung eingehen. Für eine Umsetzung der vorgestellten Siedlung sind zur Einhaltung von Mindest- und Maximalabständen die Richtlinien des jeweiligen Tiefbau- und Ver- kehrsamtes zu beachten (Scheffler 2002). Bei aktuellen Bauvorhaben werden mehrheitlich PVC isolierte 4-adrige Niederspan- nung-Kabel mit je 10 oder 50 mm² Querschnitt Aluminium Leitern verwendet (Tiefbau- und Verkehrsamt Erfurt 2014). Aus elektrotechnischer Sicht sollte die Einbindung des Straßenbeleuchtungskabels, welches gleichzeitig zum Gleichstromtransport zwischen den Häusern dient, in die vorhandenen Kabelkanäle des öffentlichen Netzes problem- los möglich sein. Für eine detaillierte anwendungsspezifische Beurteilung unter Be- trachtung möglicher Überspannungssituationen wären weitere Untersuchungen not- wendig. Um daher möglichen Risiken aufgrund kapazitiver Beeinflussung (bei gerin- gen Abständen) vorzubeugen, schlagen die Autoren die Planung eines separaten Ka- belkanals vor, gesetzt den Fall überschaubarer Zusatzinvestition.
Betrachtungsraum der vorliegenden Studie 16 2.3 Anbindung an das öffentliche Netz In der Regel besitzt jeder Haushalt einen Anschluss an das öffentliche Wechselstrom- netz. Die Siedlung bezieht aus dem öffentlichen Netz Strom. Je nach Spezifikation, wird aus der Siedlung keine Elektrizität in das Netz eingespeist. Zusammengefasst kann man festhalten: • Es wird elektrische Energie aus dem öffentlichen Netz bezogen. • Es werden Siedlungsvarianten vorgestellt, die eine Einspeisung ins öffentliche Netz ausschließen, um möglichst die lokal erzeugte Energie zu einem hohen Grad lokal zu verbrauchen. • Die primäre Funktion der Siedlung ist weder netzdienlich noch netz- schädlich. 2.4 Vorstellung relevanter Netznutzungsfälle Um die Auswirkungen der Smart Community auf das öffentliche Netz zu betrachten, werden unterschiedliche Netznutzungsfälle vorgestellt. Diese Netznutzungsfälle die- nen ebenfalls der Vereinfachung der regulatorischen Anforderungen des/der Betrei- ber(s) der Erneuerbaren Energieanlage. Fall 1: Gesamtverbrauch > Siedlungsenergie Energie wird aus dem öffentlichen Netz bezogen Fall 2: Gesamtverbrauch < Siedlungsenergie Energie wird gespeichert. Wie diese Speicherung erfolgt wird in den nachfolgenden Abschnitten vorgestellt. Fall 3: Vereinzelt verbrauchen Nutzer mehr Strom, als sie erzeugt/gespeichert haben Nachbarn geben diesen Nutzern Energie ab Fall 4: Alle verbrauchen zu wenig und die Speicher sind voll (auch E-Fahr- zeug-Batterien) Runterregelung der PV-Anlagen
Betrachtungsraum der vorliegenden Studie 17 2.5 Stakeholderbetrachtung Die zentralen Stakeholder dieser Studie sind Hausbesitzer, die ihre Immobilie selber nutzen. Des Weiteren werden EE-Dienstleister, Flächenvermarkter, Siedlungsent- wickler, Netzbetreiber, Gemeinde und Politik in die Betrachtung einbezogen. Nachfol- gend werden aller Stakeholder vorgestellt, deren mögliche Interessenslagen und Vor- teile dargestellt. • Hausbesitzer (Eigenversorger) Aufgrund der günstigen Zinslage für Immobilien ist ein Bauboom ausgebrochen, jedoch denken vermehrt Hauseigentümer auch über spätere Kosten nach, ins- besondere sind Betriebskosten und mögliche Differenzierung im Immobilien- markt für eine spätere Veräußerung von Relevanz. Hier kommt das Thema Ener- gieeffizienz, Unabhängigkeit von Energiepreisen und damit direkt verbunden die Betriebskosten zum Tragen. Hausbesitzer streben eine Eigenversorgung mit elektrischer Energie an und versuchen ebenfalls schwankende Öl-/Gaspreise zu vermeiden. Des Weiteren sehen die modernen deutschen Gebäudestandards eine Vermeidung von fossilen Energieträgern vor. Bei einem späteren Verkauf der Immobilie kommt dieses Thema verstärkt zu tragen, da Unsicherheiten und Unwägbarkeiten reduziert werden. Somit finden Hausbesitzer das Tauschen von Energie mit Nachbarn überaus in- teressant, zum einen als Verbraucher und zum anderen als Anbieter. Als Ver- braucher erhalten Sie einen kWh-Preis, der geringer ist als der Marktpreis (bun- deseinheitlicher Durchschnittspreis: 0,295 €/kWh (Bund der Energieverbraucher 2017). Als Erzeuger können zusätzliche Einnahmen generiert werden, entweder durch schnellere Amortisation der EE-Anlagen oder als direkte Einnahmen. Hier muss der Verdienst über der heutigen Einspeisevergütung von 0,123 €/kWh lie- gen (Stand: 25.6.2017). Des Weiteren hat die Eigenversorgung den Vorteil, dass keine netznutzungsbezogenen Abgaben und Steueranteile anfallen (siehe dazu Abbildung 2-2) [Grundlage: Strompreis 2017 von 29,5 Cent / kWh, Datenquelle: Bund der Energieverbraucher]. Bedingung hierfür ist vor allem, dass der Anla- genbetreiber auch der Letztverbraucher der Energie ist.
Betrachtungsraum der vorliegenden Studie 18 100% 80% 60% 40% 20% 0% Kategorie 1 Stromsteuer Konzessionsabgabe KWK - Umlage EEG - Umlage § 19 Umlage Umsatzsteuer Erzeugung / Vertrieb Netzentgelte, Messung, Abrechnung Abbildung 2-2: Zusammensetzung der Kosten pro kWh • EE-Dienstleister Der Erneuerbare Energie-Betreiber ist ein Dienstleister, der in die EE-Anlagen investiert und diese anschließend betreibt. Dieser wird hier vorgestellt, da mög- liche Geschäftsmodelle ihn mit einbeziehen. Eine Rendite erzielt der Betreiber über die Vermietung oder Verpachtung der Anlage an die Hausbesitzer oder durch den Handel des Stroms der Hausbesitzer untereinander. Durch die räum- liche Nähe der Stromkonsumenten können ggf. Netzentgelte oder EEG-Anteile entfallen. Dies ist, sofern relevant, nachfolgend zu prüfen. • Flächenvermarkter Ein Flächenentwickler entwickelt ein Konzept für die Siedlung und könnte die Vermarktung direkt an Privatpersonen forcieren oder das Konzept an den Sied- lungsentwickler veräußern. • Siedlungsentwickler Der Siedlungsentwickler könnte ein Investor darstellen, der Häuser errichtet und verkauft, vom Rohbau bis hin zu schlüsselfertigen Häusern. Durch die innovative und nachhaltige Technik und Nutzungsmöglichkeiten der Siedlung können hier Differenzierungsmerkmale geschaffen werden, die sich positiv auf eine spätere Vermarktung auswirken.
Betrachtungsraum der vorliegenden Studie 19 • Netzbetreiber Der lokale Netzbetreiber muss in die Entwicklung der Siedlung mit einbezogen werden, da sich durch die neue Energieversorgungsstruktur auch andere Rah- menbedingungen für diesen ergeben. Die Siedlung wird nur bei Energieknapp- heit Strom aus dem öffentlichen Netz beziehen. Außerdem wird unter anderem in späteren Geschäftsmodellvarianten davon ausgegangen, dass keine Energie aus EE-Anlagen ins Netz eingespeist wird. In diesen Modellen, reduziert sich der Aufwand seitens Netzbetreiber wesentlich. Des Weiteren ist hier zu klären, wer den AC/DC-Wandler für die Straßenbeleuchtung errichtet und betreibt sowie die Wartung der Leuchten vornimmt. • Gemeinde und Politik Im Rahmen dieser Studie werden urbane Lebensräume untersucht. Durch den Wegzug von Menschen in große Städte stehen ländliche Gemeinden zuneh- mend vor dem Problem der Bevölkerungsreduzierung. 1 Hier besteht ein Inte- resse, insbesondere jungen Familien einen kostengünstigen, nachhaltigen Le- bensraum/Lebensmittelpunkt anzubieten. 2 Auf Basis der Stakeholderbetrachtung werden in den nachfolgenden Kapiteln 3 und 4 die Geschäftsmodelle entwickelt. Kapitel 3 befasst sich mit den Rahmenbedingungen der Geschäftsmodelle und Kapitel 4 stellt die eigentlichen Geschäftsmodelle vor. 1 https://de.statista.com/statistik/daten/studie/199605/umfrage/anteil-der-in-grossstaedten-lebenden-bevoelke- rung-weltweit/ 2 http://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php/File:Population_pyra- mids,_EU,_1_January_2010_(1)_(%25_of_total_population)-de.png
Rahmenbedingungen für die Geschäftsmodelle 20 3 Rahmenbedingungen für die Geschäftsmodelle Wie bereits in der Einleitung dargestellt, werden in dieser Studie bereits vorab Rand- bedingungen gesetzt. Diese Randbedingungen sind die Fokussierung auf die Gleich- stromtechnologie und der Austausch von Energie innerhalb der Siedlung über ein Gleichstromkabel der Straßenbeleuchtung. Abbildung 3-1: Referenz Wohngebäude Abbildung 3-1 zeigt eine schematische Darstellung des umzusetzenden DC-Hauses, welches, wie zuvor beschrieben, einen Großteil des eigenen Energieverbrauchs durch dezentrale Wind- und PV-Anlagen deckt. Um die Einspeisung von Überschussenergie in das öffentliche Netz zu vermeiden, wird diese in Form von Strom (Batteriespeicher) oder Wärme (Wassertank) gespeichert. 3.1 Investitionsbedarf Der Investitionsbedarf, der sich für die einzelnen Stakeholder ergibt, wird nachfolgend benannt und orientiert sich an aktuell branchenüblichen Preisen. Es dient im weiteren
Rahmenbedingungen für die Geschäftsmodelle 21 Verlauf zur Einschätzung über die Wirtschaftlichkeit der identifizierten Geschäftsmo- delle. Die entsprechenden Produktunterlagen befinden sich im Anhang der Studie. 3.1.1 Anschaffungskosten für das DC-Haus Alle Preise sind Endkundenpreise und unterliegen marktüblichen Schwankungen. Mögliche Großabnehmerrabatte sind nicht berücksichtigt. Nachfolgend werden die er- forderlichen Komponenten angegeben und Marktpreise benannt. Entsprechende Mehrkosten im Vergleich zu einem AC-System sind kenntlich gemacht. • Solaranlage inkl. Lieferung, Montage und Servicedienstleistungen o 50 m² Dachfläche mit 28 Modulen á 280 Watt insgesamt 7,84 kW peak: 11.000 Euro • Windturbine o 3kW Turbinenleistung per Siedlung o Kosten für herkömmliche Turbinen im Handel: 3.000-8.000 Euro o Variante Enessere Pegasus inkl. Installation, inkl. USt.: 60.000 Euro • Gleichrichter (DC/AC Wandler nötig von PV/Batterie zu Steckdosen), AC/DC Wandler für Batterieladung in Anbetracht volatiler Strompreise, o SMA Tripower ca. 2100-2400 Euro • Batterie (Li-Ion) o 9 kWh: 10.000 Euro o Alternativ Enessere Wind/Batterie Kombination mit Tesla Powerwall (5kWh) 11.000-12.000 Euro • Größerer Wassertank der Effizienzklasse B oder besser 3 o 200l Tank ohne Solaranbindung: 935 Euro o 500l Tank mit Solaranbindung: 1576 Euro • DC-fähige Endgeräte 3 Mittelwert zwischen baugleichen Warmwasserspeichern der Firmen Buderus, Vaillant, Viessmann und Junckers
Rahmenbedingungen für die Geschäftsmodelle 22 o Klimaanlagen, Waschmaschinen sowie Kühlschränke: Ein bürstenloser DC-Motor, wie er beispielweise in DC-Klimaanlagen und Wärmepumpen exis- tiert, weist Spulen am Stator und Permanentmagneten am Rotor auf. Da weder Bürsten noch Kommutator existieren, ist die Anwendung wesentlich geräusch- ärmer und langlebiger als vergleichbare Drehstrommaschinen, da die Abnut- zung der Bürsten nicht auftritt. Durch die an die Windungen angeschlossene Leistungselektronik und Mikrocontroller wird die Geschwindigkeit des Motors eingestellt. Diese Technologie findet (im Hause Samsung) schon seit 1999 auch im Haushalts-Marktsegment der Kühlschränke Anwendung. Der Energie- verbrauch eines Digital-Inverter-Kompressors der fünften Generation kann da- bei bis zu 46.9% geringer sein, und das Gerät ist um 3 dB leiser (Samsung Newsroom 2015). Der bürstenlose Gleichstrommotor findet aus denselben Gründen ebenso in der Produktion von Waschmaschinen Anwendung (beko 2017). Somit zeigt sich, dass derzeit DC-fähige Haushaltselektronik im Handel vertrieben wird, wobei der Anschluss eventuell von einem besonders geschul- ten Elektriker durchgeführt werden müsste. Mit einer zukünftig steigenden Nachfrage von DC-Haushaltsprodukten könnten die Investitionskosten gegen- über der AC-Variante sinken, da die Bauteilezahl und damit der Herstellpreis der Geräte wesentlich reduziert würde. Bei derzeitigem Stand der Technik kann kein wesentlicher Mehr- oder Minderaufwand gegenüber der AC-Installation festgestellt werden (Glasgo et al. 2016; Shivakumar et al. 2015; Ardani et al. 2017). o LED Beleuchtung: Bei der Beleuchtungsinstallation ist darauf zu achten, wel- che Lichtverhältnisse in den einzelnen Räumlichkeiten gewünscht sind. In Wohnräumen erweisen sich 100 lm/m² als angemessene Grundbeleuchtung, während in Küche und Badezimmern ca. 300 lm/m² nötig sind. In diesem An- wendungsfall wird ein Haus mit einer Wohnfläche von 250 m² betrachtet. Zu- sätzlich wird angenommen, dass 1/3 der Wohnfläche als Küche bzw. Bad ge- plant wurde. Somit gilt: 250 2 ∗ 2 100 250 2 300 ℎ ä ∶ ∗ + ∗ = 41.667 3 2 3 2 Des Weiteren ist zu beachten, dass Halogenlampen lediglich 15-30 lm/W errei- chen, während LEDs und Energiesparlampen 50-80 lm/W aufweisen. Tabelle 3-1 zeigt das Einsparpotenzial von LED von etwa 180 Euro pro Lampe (Verbraucherzentrale 2016). Intrinsisch sind LED Leuchten gleichstrombasiert. Die Mehrheit der LEDs kann dennoch zusätzlich mit AC betrieben werden. Der Unterschied bei der Installation liegt daher nur bei der Wahl des Trafos. In der Regel sind die Anschaffungskosten für DC-Trafos geringfügig preiswerter.
Rahmenbedingungen für die Geschäftsmodelle 23 Tabelle 3-1: Vergleich unterschiedlicher Leuchtmittel [Quelle: vz-nrw] Strompreis- 11 W Ener- 46 W Halo- steigerung gie- spar- 9,5 W LED gen [%] lampe Lebensdauer [h] 2.000 8.000 15.000 Nutzungszeit bei 2,0 8,1 15,2 2,7h/Tag [a] Kaufpreis / Stück [€] 3,35 5,69 7,79 Anzahl der Leuchtmit- tel für 15000 Stunden 7,5 1,9 1 [Stk.] Investitionskosten 25,13 10,67 7,79 über 15000h [€] Investitionseinsparung -17,34 -2,88 ggü. LED [€] Stromverbrauch/Jahr 45 10,84 9,36 [kWh/a] Stromkosten/Jahr 13,6 3,25 2,81 (30ct/kWh) [€/a] Einsparung Stromkos- 10,35 10,79 ten im ersten Jahr [€] 0,00 165,56 172,66 Einsparung Stromkos- 3,00 208,58 217,52 ten über 15 Jahre [€] 5,00 244,8 515,03 Beleuchtungskosten 229,12 59,45 49,92 über 15 Jahre [€] • DC-Verbrauchsmessung zu Handels- und Abrechnungszwecken o Leistungs- und Energierecorder für DC-Stromkreis: Chauvin Arnoux PEL 102 ca. 1400€ • LWWP o Es sind bereits einige Luft-Wasser-Wärmepumpen auf dem Markt, die direkt via DC angeschlossen werden können. So zum Beispiel das Gerät der Firma Stiebel Eltron WPL15. Somit sind hier keine Mehrkosten zu erwarten. • Elektriker mit DC-Ausbildung o Da es bereits Fachbetriebe für die Installation von Solaranlage gibt, werden voraussichtlich keine Extrakosten anfallen. Selbstverständlich muss hier die Handwerkskammer auf eine gesonderte Ausbildung achten.
Rahmenbedingungen für die Geschäftsmodelle 24 Wie zuvor gezeigt, fallen keine oder nur moderate Zusatzkosten durch die DC- Installation an. Des Weiteren zeigen die Geschäftsmodelle, wer die Kosten und das Risiko für eine entsprechende DC-Installation übernimmt. Hier könnte für den Haus- besitzer ggf. eine Kosteneinsparung realisiert werden, wenn die EE-Anlagen für einen separaten Betreiber aufgebaut und betrieben werden. 3.1.2 Anschaffungskosten für die Siedlung • Elektriker mit DC-Ausbildung o Auch hier gelten die Aussagen von Abschnitt 3.1.1 analog. • Straßenlaternen o Das Bundesprogramm Ladeinfrastruktur ist Teil des Maßnahmenpakets, mit dem das BMVI den Aufbau der Ladeinfrastruktur für E-Fahrzeuge mit rund 30 Millionen Euro pro Jahr für die Kommunen unterstützt (BMVI 2017). o Energiekabel bei Verwendung des Kabeltyps NAYY-J 4x50 SE: 4,65 €/m 4 Diese Maßnahmen haben auch Einfluss auf die Ortsnetzstationen. In diesem Zusam- menhang könnte die Ortnetzstation kleiner dimensioniert werden, ist jedoch im Be- stand nicht sinnvoll. Bei Neubaugebieten besteht grundsätzlich die Möglichkeit diesen kleiner zu dimensionieren. Die Studie gibt aber keine Auskunft um den Reduktions- grad. 3.1.3 EE-Dienstleister Ein zuvor beschriebener EE-Dienstleister würde sowohl in PV-Anlagen und Batterie- speicher investieren und diese den Nutzern der Häuser zur Verfügung stellen. Des Weiteren könnte hier zur Vereinfachung der regulatorischen Rahmenbedingungen dieser auch das DC-Netz der Straßenleuchten und gleichzeitig die eMobil-Ladesäulen betreiben und besitzen. Der EE-Dienstleister erzeugt somit Strom, verkauft diesen und besitzt auch das entsprechende elektrische Netz, um den Strom zu verteilen. Grund- sätzlich würde diese Konstellation dem Unbundling widersprechen, allerdings gelten 4 Einkaufspreis im Handel (Stand 27.06.2017)
Rahmenbedingungen für die Geschäftsmodelle 25 für Verteilernetzbetreiber mit weniger als 100.000 angeschlossenen Kunden ent- schärfte Vorschriften und sind von dieser Vorgabe ausgenommen. 3.2 Energiesteuern und Abgaben Die unterschiedlichen, möglichen Geschäftsmodelle weisen sehr stark variierende Konstellationen hinsichtlich der zu entrichtenden Energiesteuern und Abgaben auf, wie die Abbildung 2-2 veranschaulicht. Bei Anlagengrößen von >10 kW peak wird die EEG-Umlage auf 40% reduziert, darunter entfällt sie bei Eigenversorgern. Bei gepach- teten Anlagen, die vom Endstromverbraucher betrieben werden, handelt es sich um Eigenversorgung. Bei Anlagengrößen
Rahmenbedingungen für die Geschäftsmodelle 26 3.2.1 Umsatzsteuer Falls eine Verbindung mit dem Stromnetz besteht, ist der Anlagenbetreiber ein Unter- nehmer im steuerrechtlichen Sinn und grundsätzlich umsatzsteuerpflichtig. Bei priva- ter Eigennutzung des Solarstroms sind pro kWh noch 19% USt. auf dessen fiktiven Preis abzuführen Der Anlagenbetreiber kann als sog. Kleinunternehmer behandelt werden, sofern der Vorjahresumsatz 17.500 € und die Umsätze des laufenden Jahres voraussichtlich 50.000 € (Stand 1.1.2016) nicht überschreiten. Auf die Umsätze wird dann keine Um- satzsteuer erhoben. Übt der Anlagenbetreiber neben dieser Tätigkeit keine weitere umsatzsatzsteuerpflichtigen Tätigkeiten aus, wird er regelmäßig unter die Kleinunter- nehmerregelung fallen. Bei Anwendung der Kleinunternehmerregelung kann keine Vorsteuer aus den Ein- gangsrechnungen (auch nicht aus dem Erwerb der Ladesäule) vom Finanzamt erstat- tet werden und es dürfen auch keine Rechnungen mit gesondertem Umsatzsteuer- ausweis ausgestellt werden. Auf diese Vereinfachungsregel kann der Betreiber einer Ladesäule allerdings verzichten (Option zur so genannten Regelbesteuerung). Der Ladesäulenbetreiber ist als Unternehmer verpflichtet, auf Verlangen ordnungsge- mäße Rechnungen über die von ihm erbrachte Leistung zu erstellen und Kopien hier- von über 10 Jahre aufzubewahren.“ 3.2.2 Stromsteuer Liefert der Betreiber einer Stromerzeugungsanlage Strom, den er in der Anlage er- zeugt hat, an einen Dritten, so benötigt der Betreiber der Anlage grundsätzliche eine Versorgererlaubnis (§ 4 Abs. 1 StromStG), die beim örtlich zuständigen Hauptzollamt zu beantragen ist (§ 4 Abs. 2 StromStG). Je nach Ausgestaltung des Eigenversor- gungsmodells können sich erhebliche Unterschiede bei den Vorgaben des Stromsteu- errechts ergeben. Bei kleinen Anlagen der Eigenversorgung (
Rahmenbedingungen für die Geschäftsmodelle 27 selbständig, nachhaltig und mit Gewinnerzielungsabsicht ausgeführt wird und auf Be- teiligung am allgemeinen wirtschaftlichen Verkehr ausgelegt ist. Über die Lebensdauer der Unternehmung ist ein Totalgewinn zu erzielen. Erfolgt dies nicht, kann das Finanzamt von Liebhaberei ausgehen. Gewerbliche Einkünfte liegen in diesem Fall nicht vor, allerdings können im Gegenzug auch keine Verluste einkom- mensmindernd berücksichtigt werden. Liegen gewerbliche Einkünfte vor, ist neben der Versteuerung über die Einkommen- steuererklärung auch an die Abgabe der Gewerbesteuererklärung zu denken. Hier gibt es für natürliche Personen und Personengesellschaften allerdings einen Freibe- trag in Höhe von 24.500 Euro, bis zu dem keine Gewerbesteuer anfällt.“
Vorstellung der Geschäftsmodelle 28 4 Vorstellung der Geschäftsmodelle Es wurden im Rahmen von Experteninterviews, der persönlichen Expertise der Auto- ren und anhand einer Literaturrecherche eine Vielzahl von Geschäftsmodellen identi- fiziert. Um eine logische und sinnvolle Auswahl, entsprechend den Vorgaben, zu tref- fen, wurde eine Bewertungsmatrix abgeleitet. Diese Matrix dient im späteren Verlauf zur Validierung der Ergebnisse. Einzelhaus V1: All-Electric Haus Eisspeicher Persönliches Elektrofahrzeug V2: DC-Inselnetz V3: 10x V2-Häuser mit DC-Straßenlaternen Siedlung V4: V3 + zentrales Mini-Windrad V5: V4 + zentrale Batterie Ausblick V6a: V5 + E-Auto Flotte V6b: V5 + Wasserstofferzeugung Innovationsgrad Abbildung 4-1: Vorstellung der Varianten In den nachfolgenden Abschnitten 4.1-4.7 werden die Geschäftsmodelle und die Ele- mente der Matrix in Abschnitt 4.8 vorgestellt. 4.1 All-Electric Haus Diese Variante entspricht dem klassischen Aufbau, wie zurzeit Einfamilienhäuser er- richtet und betrieben werden. Die Verkabelung entspricht ebenfalls dem aktuellen Standard. Hier investiert der Hausbesitzer in eine Photovoltaik-Anlage und in ein Bat- teriesystem. Ziel hierbei ist, einen möglichst großen Anteil des Eigenverbrauchs zu decken und die Stromüberschüsse direkt an den Netzbetreiber zu verkaufen. Dafür erhält der Hausbesitzer, der gleichzeitig der PV-Anlagenbetreiber ist, eine auf 20 Jahre festgesetzte Einspeisevergütung von aktuell 0,123 Euro. Es findet kein Handel
Vorstellung der Geschäftsmodelle 29 zwischen Nachbarn der Siedlung statt. Es wird empfohlen, dass der Hausbesitzer ei- nen größeren Warmwassertank von 500 Litern anstatt der sonst üblichen 200 oder 300 Liter zu installiert. Abbildung 4-2: Schematische Darstellung des All-Electric-Hauses Abbildung 4-3 stellt sowohl den Verbrauch wie auch die Erzeugung für einen Winter- und Sommertag gegenüber. Durch diese Darstellung werden die massiven Unter- schiede zwischen Sommer (hohe PV-Erzeugung und geringer Verbrauch) und Winter (Geringe PV-Erzeugung und hoher Verbrauch) sichtbar. Im gesamten Jahr müssen trotz Speicher ca. 4.900 kWh eingespeist werden. Diese Einspeisung findet vornehm- lich, wie zu erwarten, im Sommer statt.
Vorstellung der Geschäftsmodelle 30 Normales Haus Wintertag Normales Haus Sommertag 7000,00 5000 6000,00 4500 4000 5000,00 3500 Leistung [W] 3000 Leistung [W] 4000,00 2500 Netzeinspeisung Netzeinspeisung 3000,00 2000 Netzbezug Netzbezug Verbrauch 1500 2000,00 Verbrauch 1000 1000,00 500 0 00:00:00 00:45:00 01:30:00 02:15:00 03:00:00 03:45:00 04:30:00 05:15:00 06:00:00 06:45:00 07:30:00 08:15:00 09:00:00 09:45:00 10:30:00 11:15:00 12:00:00 12:45:00 13:30:00 14:15:00 15:00:00 15:45:00 16:30:00 17:15:00 18:00:00 18:45:00 19:30:00 20:15:00 21:00:00 21:45:00 22:30:00 23:15:00 0,00 Zeit Zeit Energiebezug (kWh): 51,02 Energiebezug (kWh): 1,10 Energieverbrauch (kWh): 71,32 Energieverbrauch(kWh): 21,88 Autarkiegrad: 28% Autarkiegrad: 95% Szenario V1 Jahreswerte Energiebezug [kWh/a] 7.078,52 Energieverbrauch [kWh/a] 12.548,69 Einspeisung [kWh/a] 4.909,28 Abbildung 4-3: Vergleich zwischen Winter und Sommer Wie Abbildung 4-4 darstellt, kann durch die getroffenen Annahmen und exemplari- schen Erzeugungs- und Verbrauchsdaten eine Ersparnis von über 2.000 Euro pro Jahr realisiert werden. Kosten Erlös PV-Anlage inkl. Montage: 10.000 Euro Eigenverbrauch: 6.000 kWh Batteriespeicher Li-Ion 9 kWh inkl. Einspeisevergütung: 0,123 Euro/kWh Förderung: 9.000 Euro Steuerrückerstattung: 300 Euro Größerer Warmwasserspeicher 200l Staatliche Förderung Batterie: ca. 3.000 500l: 700 Euro Euro Wartung/Reparatur/Versicherung: 250 Euro/Jahr Strom aus öffentlichen Netz: 0,295 Euro/kWh Ersparnis: ca. 2.127 Euro/Jahr Abbildung 4-4: Kosten- und Erlösgegenüberstellung Tabelle 4-1 fasst die Vor- und Nachteile der Variante zusammen.
Vorstellung der Geschäftsmodelle 31 Tabelle 4-1: Vor- und Nachteile der vorgestellten Variante Vorteile Nachteile Amortisationszeit < 10 Jahre Hohe Investitionskosten Lebensdauer der PV-Anlage Nur anfänglicher steuerlicher und Batteriesystem Vorteil wahrscheinlich > 10 Jahre Hoher Stromzukauf Staatliche Batterieförderung Winter/Sommer-Dilemma Kostengünstige kann nicht aufgebrochen Energiespeicherung durch werden größeren Warmwassertank Aufgrund der identifizierten Nachteile, wird versucht in den weiteren Varianten zum einen mehr Speichermöglichkeiten im Sommer zur Verfügung zu stellen und im Winter eine andere Erzeugungsquelle als Photovoltaik zu identifizieren. 4.2 All-Electric-Haus mit internem DC-Netz Das zuvor dargestellte Haus wird um ein Gleichstromnetz ergänzt. Bei dieser Variante werden alle Verbraucher, die über Gleichstrom angeschlossen werden können, direkt miteinander verbunden. Die PV-Anlage und das Batteriesystem sind die ersten Bau- steine des DC-Netzes. Um weitere Geräte in der Zukunft anzuschliessen, wird emp- fohlen, eine 5-adrige anstatt einer 3-adrige Verkabelung im Haus vorzunehmen. Des Weiteren werden alle großen und schwer beweglichen Elektrogeräte, wenn geeignet, ebenfalls an das DC-Netz angeschlossen. Abbildung 4-5 visualisiert eine entspre- chende Verkabelung. So können häufige Transformationsschritte zwischen Wechsel- und Gleichstrom gespart werden. Der Hausnutzer kauft die Komplettanlage (PV+Batterie), ggf. abzüglich staatlicher Förderung und muss entsprechende ausgewählte Endgeräte mit DC-Anschluss an- schaffen. Dies kann über Bar-Kauf oder Finanzierung erfolgen. Die jeweiligen Förde-
Vorstellung der Geschäftsmodelle 32 rungen sind hier ebenfalls zu berücksichtigen. Ziel ist die maximale Deckung des Ei- genverbrauchs, erst danach wird der überschüssige Strom ins öffentliche Netz einge- speist. Es findet noch kein Handel zwischen Nachbarn statt. Abbildung 4-5: All-Electric-Haus mit internem DC-Netz Abbildung 4-6 stellt die Kosten und den Erlös gegenüber. Es ist ersichtlich, dass zum vorherigen Geschäftsmodell die Ersparnis nicht signifikant gestiegen ist. Kosten Erlös PV-Anlage inkl. Montage: 10.000 Euro Eigenverbrauch: 6.000 kWh Batteriespeicher Li-Ion 9 kWh: Einspeisevergütung: 0,123 Euro/kWh 9.000 Euro Steuerrückerstattung: 300 Euro SMA Wechselrichter: 2.200 Euro Wartung/Reparatur/Versicherung: 250 Euro/Jahr Strom aus öffentlichen Netz: 0,295 Euro/kWh Ersparnis: ca. 2.158 Euro/Jahr Abbildung 4-6: Kosten- und Erlösgegenüberstellung
Vorstellung der Geschäftsmodelle 33 Abbildung 4-7 zeigt den Zusammenhang zwischen Winter und Sommer. Hier ist, wie zuvor auch, eine massive Unterversorgung im Winter zu erkennen. Im Sommer ist es genau umgekehrt. DC-Inselhaus Sommertag Insel-Haus Wintertag 5000 7000 4500 6000 4000 5000 3500 Leistung [W] 3000 4000 Leistung [W] 2500 3000 Netzbezug Verbrauch 2000 Bezug Verbrauch 2000 Netzeinspeisung Netzeinspeisung 1500 1000 1000 0 500 00:00:00 00:45:00 01:30:00 02:15:00 03:00:00 03:45:00 04:30:00 05:15:00 06:00:00 06:45:00 07:30:00 08:15:00 09:00:00 09:45:00 10:30:00 11:15:00 12:00:00 12:45:00 13:30:00 14:15:00 15:00:00 15:45:00 16:30:00 17:15:00 18:00:00 18:45:00 19:30:00 20:15:00 21:00:00 21:45:00 22:30:00 23:15:00 0 00:00:00 00:30:00 01:00:00 01:30:00 02:00:00 02:30:00 03:00:00 03:30:00 04:00:00 04:30:00 05:00:00 05:30:00 06:00:00 06:30:00 07:00:00 07:30:00 08:00:00 08:30:00 09:00:00 09:30:00 10:00:00 10:30:00 11:00:00 11:30:00 12:00:00 12:30:00 13:00:00 13:30:00 14:00:00 14:30:00 15:00:00 15:30:00 16:00:00 16:30:00 17:00:00 17:30:00 18:00:00 18:30:00 19:00:00 19:30:00 20:00:00 20:30:00 21:00:00 21:30:00 22:00:00 22:30:00 23:00:00 23:30:00 Zeit [h] Zeit Energiebezug (kWh): 47,97 Energiebezug (kWh): 0,86 Energieverbrauch (kWh): 67,75 Energieverbrauch (kWh): 20,78 Autarkiegrad: 29% Autarkiegrad: 96% Szenario V2 Jahreswerte Energiebezug [kWh/a] 6.669,95 Energieverbrauch [kWh/a] 11.921,25 Einspeisung [kWh/a] 5.074,38 Abbildung 4-7: Vergleich zwischen Winter und Sommer Abbildung 4-8 stellt das 5-adrige Kabel dar, welches eine zukünftige Nutzung von Gleichstrom im Haus ermöglicht. Die Kabelfarben „grau“ und „braun“ sind im Moment durch die VDE anders klassifiziert. Abbildung 4-8: Kabelbelegung für eine 5-adrige Hausverteilung DC Hier ist eine einfache Umwidmung nicht möglich. Die entsprechenden Normen und Standards müssen auf die neuen Herausforderungen in der Verkabelung mit Gleichstrom angepasst werden. Hier ist durchaus denkbar, dass die DC- Kabelfarben eher rot, violett oder 2-farbige sind, Abbildung 4-9: Logo für Endgerät mit DC Potenzial wie im Moment das Erdungskabel. Das in Abbildung 4-9 dargestellte Logo könnte eine Möglichkeit sein, Geräte, die in Zukunft gleichstromfähig sind, zu kennzeichnen. Durch dieses Logo wird die Kompa-
Vorstellung der Geschäftsmodelle 34 tibilität mit modernen DC-Häusern kenntlich gemacht. Insbesondere wären hier Ge- räte des täglichen Lebens von Interesse, wie z.B. Fernseher mit entsprechendem Zu- behör, Beleuchtung oder Küchengeräte. Tabelle 4-2: Vor- und Nachteile der vorgestellten Variante Vorteile Nachteile Amortisationszeit < 10 Jahre Hohe Investitionskosten Lebensdauer der PV-Anlage Nur anfänglicher steuerlicher und Batteriesystem Vorteil wahrscheinlich > 10 Jahre Signifikanter Stromzukauf Staatliche Batterieförderung Nur ausgewählte Effizienzgewinn von ca. 10% Elektrobetriebe qualifiziert Keine komplexe oder teure Geringe Anzahl an DC- Steuerungstechnik notwendig Endgeräten Zukunftsfähig, wenn DC stärkere Verbreitung findet Tabelle 4-2 stellt die Vor- und Nachteile der Variante 2 dar. Hier ist besonders zu erwähnen, dass die Verkabelung meist nur von ausgewählten Fachbetrieben vorge- nommen werden kann und dass die begrenzte Anzahl an DC-Endgerät dem Kunden eine echte Auswahlmöglichkeit nicht ermöglicht. Um eine Speicherlösung unter Einsatz von Eisspeichern umzusetzen, benötigt man einen Wasserinhalt von 10 m³ für ein Einfamilienhaus. Der Energiegehalt dieses Eis- speichers entspricht ca. 120l Heizöl und die dazugehörige Wärmepumpe kann Nenn- Wärmeleistungen von 6-17,2 kW aufweisen. Der Kostenpunkt liegt bei rund 10.000 Euro 5. Die Eisspeicher-Lösung adressiert den Aspekt, dass ein Großteil der ver- brauchten Energie im Wohnhaus, für die Raumbeheizung verwendet wird. Außerdem ist der Effekt dieses Speichers über das gesamte Jahr hinweg zu betrachten, da die saisonalen Wetterbedingungen hier direkt einen Einfluss auf die eingespeicherte und ausgespeicherte Wärmemenge haben. Der Einsatz eines Eisspeichers wurde in die- ser Geschäftsmodell-Variante jedoch nicht quantitativ analysiert und ist somit nicht in den oben dargestellten Lastprofilen und Kosten enthalten. 5 Anwendung Vitofriocal Eisspeicher System von Viessmann, Kostenpunkt ca. 9600 € (Stand 2017)
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