Diese Bachelorarbeit setzt sich nun mit verschiedenen Versorgungstechnologien auseinander, die einen Haushalt unter Verwendung von erneuerbaren Energien autarker und damit unabhängiger machen können. Es soll die Fragestellung untersucht werden, wie autark ein durchschnittliches Einfamilienhaus unter Verwendung der vorgestellten
Versorgungstechnologien werden kann. Außerdem soll deren Wirtschaftlichkeit für den Haushalt untersucht werden.
In Kapitel 2 wird zunächst der Begriff „Autarkie“ erläutert. In den folgenden Kapiteln 3 bis 6 sollen verschiedene Versorgungstechnologien in ihrer Funktionsweise, Aufbau, Kosten und politischen Fördermöglichkeiten näher betrachtet werden. Kapitel 3 beschäftigt sich dabei mit der PV-Anlage und Kapitel 4 mit dem Batteriespeicher. Die Kombination von PV-Anlage und Batteriespeicher in einem PV-Batteriespeichersystem wird in Kapitel 5 erläutert. Das 6. Kapitel setzt sich mit der Wärmeversorgung durch eine Wärmepumpe auseinander.
Die erläuterten Versorgungstechnologien sollen in Kapitel 7 in einer Szenarioanalyse für ein durchschnittliches Einfamilienhaus angewandt werden. Ziel dabei ist es herauszufinden, wie autark ein durchschnittliches Einfamilienhaus unter Verwendung der
Versorgungstechnologien PV-Anlage, Batteriespeicher und Wärmepumpe in den verschiedenen Szenarien werden kann und wie wirtschaftlich diese Szenarien für den Haushalt sind. Hierzu wurde ein Rechenmodell mithilfe von MS Excel erstellt.
In einer in Kapitel 8 folgenden Sensitivitätsanalyse soll der Einfluss der Stromkosten auf die Wirtschaftlichkeit der Szenarien untersucht werden.
Kapitel 9 setzt fort mit einer kritischen Diskussion der angewandten Versorgungsszenarien und den Folgen, die durch erhöhte Autarkiegrade privater Haushalte einhergehen.
Mit einem Fazit und Ausblick in Kapitel 10 wird diese Bachelorarbeit abgerundet.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Problemstellung
1.2. Motivation
2. Bedeutung des Begriffs Autarkie
3. PV-Anlage
3.1. Aufbau einer Solarzelle
3.2. Funktionsweise von Solarzellen
3.3. Arten von PV-Anlagen
3.4. Kosten für PV-Anlagen und deren Förderung
4. Batteriespeicher
4.1. Lithium-Ionen-Batterie – Aufbau und Funktionsweise
4.2. Blei-Säure-Batterie – Aufbau und Funktionsweise
4.3. Eigenschaften von Lithium-Ionen- und Blei-Säure-Batterien
4.4. Kosten für Batteriespeicher und deren Förderung
5. PV-Batteriespeichersystem
5.1. Aufbau und Funktionsweise eines PV-Batteriespeichersystems
5.2. Planung und Dimensionierung eines PV-Batteriespeichersystems
5.3. Betriebsstrategien eines PV-Batteriespeichersystems
5.4. Kosten eines PV-Batteriespeichersystems
6. Wärmepumpe
6.1. Aufbau und Funktionsweise einer Wärmepumpe
6.2. Planung und Dimensionierung einer Wärmepumpe
6.3. Kosten einer Wärmepumpe
7. Szenarioanalyse – Versorgungsszenarien für ein durchschnittliches Einfamilienhaus
7.1. Annahmen und Herangehensweise bei der Modellerstellung
7.2. Szenario A – PV-Anlage und konventionelle Ölheizung
7.3. Szenario B – PV-Anlage mit Batteriespeicher und konventionelle Ölheizung
7.4. Szenario C – PV-Anlage mit Wärmepumpe
7.5. Szenario D – PV-Anlage mit Batteriespeicher und Wärmepumpe
7.6. Zusammenfassung der Ergebnisse
8. Sensitivitätsanalyse
9. Kritische Diskussion privater Energieautarkie
10. Fazit
Zielsetzung und Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht das Potenzial von Versorgungstechnologien wie Photovoltaikanlagen, Batteriespeichern und Wärmepumpen, um den Autarkiegrad eines durchschnittlichen Einfamilienhauses zu erhöhen und gleichzeitig deren wirtschaftliche Rentabilität zu bewerten.
- Analyse des Autarkiebegriffs und dessen Bedeutung für Privathaushalte.
- Technologische Funktionsweise und Wirtschaftlichkeit von PV-Anlagen, Batteriespeichern und Wärmepumpen.
- Durchführung einer Szenarioanalyse zur Modellierung verschiedener Energieversorgungskonfigurationen.
- Evaluation des Einflusses von Speicherlösungen auf Eigenverbrauchsanteil und Autarkiegrad.
- Untersuchung der Wirtschaftlichkeit unter Berücksichtigung von Stromkosten und Fördermöglichkeiten.
Auszug aus dem Buch
3.2. Funktionsweise von Solarzellen
Für Festkörper existieren nach dem Energiebändermodell für Festkörper sogenannte Energiebänder für die einzelnen Energieniveaus der Elektronenbahnen. Jedes Energieband kann eine begrenzte Anzahl an Elektronen aufnehmen. Die Energiebänder werden vom ersten Band aus beginnend nacheinander gefüllt. Das oberste, vollständig gefüllte Band wird als Valenzband bezeichnet. Das nächsthöhere Band ist entweder leer oder nur teilweise befüllt und stellt das Leitungsband dar.
Dieses Prinzip wird von in Solarzellen verwendeten Halbleitern wie Silizium genutzt. In Abb. 4 sind die Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband und die spezifischen Widerstände von Leitern, Halbleitern und Nichtleitern dargestellt. Im Leitungsband eines Halbleiters sind ausreichend viele Plätze für Elektronen frei. Zudem ist die Bandlücke und damit der spezifische Widerstand des Halbleiters gering genug für den inneren Fotoeffekt.
Abb. 5 zeigt schematisch den Vorgang beim inneren Photoeffekt. Ein Photon und damit thermische Energie trifft auf ein Elektron des Valenzbandes. Dadurch wird das Elektron auf das Leitungsband angehoben. Die Elektronen nehmen dabei aber nur einen spezifischen Teil der Energie des Photons auf. Ist die Energie des Photons höher als nötig, so wird das Elektron zwar auf das Leitungsband angehoben, verliert aber die überschüssige Energie in Form von Wärme. Ist die eingebrachte Energie des Photons dagegen zu gering, so fällt das Elektron auf das Valenzband zurück. Wird das Elektron auf das Leitungsband angehoben, so ist es im Kristallgitter frei beweglich.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die politische Motivation und Ziele der Energiewende sowie die zunehmende Rolle privater Haushalte als Prosumer.
2. Bedeutung des Begriffs Autarkie: Definiert verschiedene Abstufungsgrade der Energieautarkie und ordnet diese im Kontext von Privathaushalten ein.
3. PV-Anlage: Erläutert den Aufbau und die Funktionsweise von Solarzellen, verschiedene Anlagentypen sowie historische Kostenentwicklungen.
4. Batteriespeicher: Analysiert chemische Grundlagen und technische Unterschiede zwischen Lithium-Ionen- und Blei-Säure-Batterien im PV-Kontext.
5. PV-Batteriespeichersystem: Beschreibt Systemkomponenten, Kopplungsarten und Betriebsstrategien zur Optimierung des Eigenverbrauchs.
6. Wärmepumpe: Erläutert das Funktionsprinzip von Luft/Wasser-Wärmepumpen und deren Planung bzw. Dimensionierung im Heizungssystem.
7. Szenarioanalyse – Versorgungsszenarien für ein durchschnittliches Einfamilienhaus: Wendet die zuvor beschriebenen Technologien in vier spezifischen Szenarien (A-D) auf ein Modellhaus an.
8. Sensitivitätsanalyse: Untersucht, wie sich schwankende Energiepreise auf die Wirtschaftlichkeit und den Kapitalwert der verschiedenen Versorgungsszenarien auswirken.
9. Kritische Diskussion privater Energieautarkie: Reflektiert volkswirtschaftliche Aspekte wie die Entsolidarisierung beim Netzentgelt und ökologische Auswirkungen.
10. Fazit: Fasst zentrale Erkenntnisse zur Autarkie und Wirtschaftlichkeit zusammen und bewertet die technologische Kombination im Einfamilienhaus.
Schlüsselwörter
Energieautarkie, Photovoltaik, Batteriespeicher, Wärmepumpe, Prosumer, Energiewende, Eigenverbrauch, Stromgestehungskosten, Kapitalwert, Szenarioanalyse, Solarenergie, Klimaneutralität, Wirtschaftlichkeit, Lastprofil, Netzparität
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht, wie Privathaushalte durch den Einsatz von Photovoltaikanlagen, Batteriespeichern und Wärmepumpen ihren Versorgungsgrad unabhängig vom öffentlichen Netz optimieren können.
Welche zentralen Themenfelder behandelt der Autor?
Die Schwerpunkte liegen auf der technischen Funktionsweise der gewählten Versorgungstechnologien, deren Dimensionierung, der wirtschaftlichen Rentabilität und volkswirtschaftlichen Diskussionen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es, durch eine Szenarioanalyse für ein durchschnittliches Einfamilienhaus zu ermitteln, welche Kombination dieser Technologien ökologisch sinnvoll und wirtschaftlich tragfähig ist.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Analyse verwendet?
Es wurde ein energetisches Rechenmodell mittels MS Excel erstellt, um die Energieflüsse und Kapitalwerte für verschiedene Szenarien basierend auf Standardlastprofilen und technischen Daten zu modellieren.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine theoretische fundierte Auseinandersetzung mit der Komponenten-Hardware sowie einer umfassenden szenariobasierten Analyse der Wirtschaftlichkeit und Autarkiegrade.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich diese Publikation charakterisieren?
Die wichtigsten Schlagworte sind Energieautarkie, Eigenverbrauch, Wärmepumpen, PV-Anlagen, Batteriespeicher und deren wirtschaftliche Bewertung anhand von Kapitalwertanalysen.
Wie unterscheidet sich die "netzoptimierte" von der "eigenverbrauchsoptimierten" Betriebsstrategie?
Während die eigenverbrauchsoptimierte Strategie primär auf die interne Nutzung des Stroms abzielt, strebt die netzoptimierte Version danach, Netzeinspeisespitzen abzufedern, um das öffentliche Verteilnetz zu entlasten.
Warum spielt die Dachausrichtung bei der Dimensionierung eine entscheidende Rolle?
Die Ausrichtung bestimmt das Ertragsprofil über den Tagesverlauf. Eine Ausrichtung nach Ost-West deckt Lastspitzen morgens und abends effizienter ab als eine Südausrichtung, was den Speicherbedarf und die Effizienz des Gesamtsystems direkt beeinflusst.
Welches Fazit zieht der Autor in Bezug auf die "komplette Autarkie"?
Eine 100-prozentige Autarkie ist für ein durchschnittliches Einfamilienhaus technisch nicht effizient und wirtschaftlich aufgrund der extrem notwendigen Überdimensionierung der Komponenten derzeit nicht erstrebenswert.
Welchen Einfluss hat die Integration einer Wärmepumpe auf das Speichersystem?
Die Wärmepumpe erhöht den Eigenverbrauchsanteil des erzeugten PV-Stroms erheblich, kann jedoch bei gewöhnlicher Dimensionierung dazu führen, dass die Auslastung des Batteriespeichers geringer ausfällt, da Strom direkt für die Wärmeversorgung genutzt wird.
- Arbeit zitieren
- Nick Bulach (Autor:in), 2023, Energieautarkie in Privathaushalten, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1383421
