Der Siegeszug erneuerbarer Energien wie Wind- und Solarenergie scheint unaufhaltsam. Im Verlauf der Arbeit werden Voraussetzungen und Wege für eine hohe Strom- und Wärmeautarkie, vor allem auf Basis von Photovoltaik- und Windeinspeisung, aufgezeigt. Ziel ist es, einen möglichst großen Anteil der Energie aus lokaler Wind- und PV-Erzeugung zu erhalten. Eine Möglichkeit ist die Verwendung von Strom-Wärme-Verbundsystemen mit Energiespeichern.
Es wird geprüft, ob und bei welchen Bedingungen es möglich ist, eine Gesamtautarkiequote größer 70% bei gleichzeitiger Eigenverbrauchsquote größer 80% zu erreichen. Die Rohdaten wurden vom Fraunhofer Institut ISE im Wetteraukreis (Hessen) erhoben und stammen aus 2012. Die Ergebnisse zeigen, dass der Heizwärmebedarf einen größeren Einfluss auf die Autarkie hat als die Kapazität des Energiespeichers. Die Eigenverbrauchsquote sinkt bei gleichbleibender Gesamtautarkie von 70% unter 80%, wenn der Heizwärmebedarf sinkt. Wird der Heizwärmebedarf variiert, so bleibt ein optimales Verhältnis von 2:1 (Wind:PV) bestehen. Die Arbeit zeigt, dass bereits mit heutiger Technologie anspruchsvolle Ziele hinsichtlich des Autarkiegrads erreicht werden können.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Vorwort
1.2 Ziele der Bundesrepublik Deutschland
1.3 Anforderungen an das öffentliche Stromnetz
2 Grundlagen von Energiespeichern
2.1 Energiespeicher im vorhandenen Stromnetz
2.2 Arten von Energiespeichern
2.2.1 Mechanische Energiespeicher
2.2.2 Chemische Energiespeicher
2.2.3 Elektrische Energiespeicher
2.3 Batterien als Energiespeicher
2.3.1 Unterschied zwischen Batterie und Akkumulator
2.3.2 Vergleich von Lithium-Ionen-Akkumulator und Bleiakkumulator
3 Strom-Wärme-Verbundsysteme
3.1 Funktionsweise von Kraft-Wärme-Kopplung
3.2 Zukünftige Rolle von Kraft-Wärme-Kopplung im Energienetz
3.3 Aufbau und Funktionsweise einer Wärmepumpe
4 Dimensionierung eines thermischen Saisonspeichers
5 Definitionen
5.1 Autarkiequote
5.2 Eigenverbrauchsquote
5.3 Leistungsbedarf
5.4 Anlagen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung
6 Programmgestützte Konzeptanalyse
6.1 Start
6.2 Aufbau
6.3 Parameter
7 Strom-Wärme-Verbrauch über das Jahr verteilt
8 Ein-Parameter Simulationen
8.1 Änderung des Wind/PV Verhältnisses bei konstanter Energieerzeugung
8.2 Änderung des Wind/PV Verhältnisses bei konstanter Leistungsinstallation
8.3 Änderung der thermischen Speichergröße
8.4 Änderung des Heizwärmebedarfs
9 Zwei-Parameter Simulationen
9.1 Änderung von Heizwärmebedarf und Erzeugung
9.2 Änderung von Heizwärmebedarf und thermischer Speichergröße
10 Zusammenfassung
11 Schlusswort
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht Möglichkeiten zur Erhöhung der Autarkiequote von privaten Haushalten durch den Einsatz von Strom-Wärme-Verbundsystemen und Energiespeichern, um eine Unabhängigkeit von großen Netzbetreibern bei gleichzeitig hoher Eigenverbrauchsquote zu erreichen. Hierfür wird eine programmgestützte Konzeptanalyse mittels MATLAB verwendet, die auf Daten des Fraunhofer Instituts ISE basiert.
- Analyse von Strom-Wärme-Verbundsystemen
- Einfluss von Energiespeichern (elektrisch und thermisch) auf die Autarkie
- Dimensionierung von Saisonspeichern zur Optimierung der Wärmeversorgung
- Systemdimensionierung und -konfiguration unter Berücksichtigung von Wind- und Photovoltaik-Erzeugung
Auszug aus dem Buch
1.2 Ziele der Bundesrepublik Deutschland
Im Jahr 2000 trat im Zuge der Energiewende das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) in Kraft [14]. Daraufhin wurde vermehrt in den Ausbau regenerativer Energien investiert. Dies hatte weitreichende Folgen auf die Netzstabilität, sowie die Versorgungssicherheit durch fluktuierende Energieträger. Außerdem stieg die EEG-Umlage, was den Strompreis nach oben trieb. Es wurde also eine Reform des EEG fällig. Diese trat am 01.08.2014 in Kraft und hat das Ziel, die Kosten der Energiewende zu reduzieren, indem die Förderkosten sowohl auf Industrie, als auch Privatkunden verteilt werden [14]. Ziel der Bundesregierung ist es, bis zum Jahr 2035 den Anteil erneuerbarer Energien auf bis zu 60% zu steigern. Um dieses engagierte Ziel zu erreichen sollen jährlich je 2,5 GW Wind- und Solarleistung an Land installiert werden. Im Bereich der Off-Shore Windparks ist eine installierte Leistung von 15 GW bis 2030 vorgesehen [14].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung führt in die Energiewende und die damit verbundene Dezentralisierung des Energiemarktes ein, wobei die Autarkie von Privathaushalten als Kernziel definiert wird.
2 Grundlagen von Energiespeichern: Das Kapitel erläutert die Notwendigkeit von Energiespeichern zur Netzstabilisierung und beschreibt verschiedene mechanische, chemische und elektrische Speichertechnologien sowie Batterietypen.
3 Strom-Wärme-Verbundsysteme: Hier wird der Aufbau von Verbundsystemen dargestellt, bei denen Kraft-Wärme-Kopplung und Wärmepumpen zur effizienten Energienutzung integriert werden.
4 Dimensionierung eines thermischen Saisonspeichers: Dieses Kapitel behandelt die mathematische Herleitung der Größe eines thermischen Wasserspeichers anhand einer Sigmoid-Funktion für eine kalte Woche.
5 Definitionen: Zentrale Begriffe wie Autarkiequote, Eigenverbrauchsquote, Leistungsbedarf und USV-Anlagen werden für das weitere Verständnis definiert.
6 Programmgestützte Konzeptanalyse: Es wird das MATLAB-basierte Simulationswerkzeug vorgestellt, inklusive dessen Bedienung und grafischer Oberfläche.
7 Strom-Wärme-Verbrauch über das Jahr verteilt: Die Analyse des jahreszeitlichen Verlaufs von Strom- und Wärmeverbrauch zeigt die hohen Schwankungen und den massiven Bedarf im Winter auf.
8 Ein-Parameter Simulationen: In diesem Teil werden Simulationen durchgeführt, bei denen jeweils ein Parameter, wie das Wind/PV-Verhältnis oder die Speichergröße, variiert wird.
9 Zwei-Parameter Simulationen: Aufbauend auf dem vorherigen Kapitel werden hier komplexere Simulationen präsentiert, bei denen zwei Parameter gleichzeitig angepasst werden, um deren Wechselwirkungen zu untersuchen.
10 Zusammenfassung: Die Ergebnisse aller Kapitel werden gebündelt, wobei die 2:1-Strategie und der Einfluss des Wärmebedarfs hervorgehoben werden.
11 Schlusswort: Das Kapitel resümiert, dass dezentrale Energiesysteme in Verbindung mit Speichern das Fundament für eine erfolgreiche Energiewende bilden.
Schlüsselwörter
Autarkiequote, Eigenverbrauchsquote, Strom-Wärme-Verbundsystem, Energiespeicher, Saisonspeicher, Wärmepumpe, Kraft-Wärme-Kopplung, Erneuerbare Energien, MATLAB-Simulation, Photovoltaik, Windenergie, Lastmanagement, Energiewende, Systemdimensionierung, Netzstabilität.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht, wie Privathaushalte durch die Nutzung von Strom-Wärme-Verbundsystemen und verschiedenen Speicherkonzepten eine hohe Autarkie bei der Energieversorgung erreichen können.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die Arbeit fokussiert sich auf die Kopplung von Strom- und Wärmesektoren, die Auslegung von thermischen Saisonspeichern, die Analyse von Strom- und Wärmebedarfsprofilen sowie die Simulation unterschiedlicher Konfigurationen erneuerbarer Erzeugungsanlagen.
Welches primäre Ziel verfolgt die Forschungsarbeit?
Das Ziel ist die Erreichung einer Gesamtautarkiequote von über 70% bei einer gleichzeitigen Eigenverbrauchsquote von mehr als 80% durch eine optimale Systemdimensionierung.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Untersuchung verwendet?
Es wird eine programmgestützte Konzeptanalyse mit der Software MATLAB durchgeführt, um verschiedene Szenarien basierend auf Wetterdaten des Fraunhofer Instituts ISE zu simulieren.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in theoretische Grundlagen zu Speichern, die Vorstellung der Systemkomponenten, die mathematische Dimensionierung von Speichern sowie umfangreiche Ein- und Zwei-Parameter-Simulationen zur Ermittlung optimaler Systemparameter.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Kernbegriffe sind insbesondere Autarkiequote, Eigenverbrauchsquote, Strom-Wärme-Verbund, Saisonspeicher, Wärmepumpe und MATLAB-Simulation.
Warum ist das Verhältnis von Windenergie zu Photovoltaik in der Simulation entscheidend?
Die Simulationen zeigen, dass ein Verhältnis von 2:1 zwischen Wind- und PV-Erzeugung die höchste Autarkie liefert, da sich die unterschiedlichen Erzeugungsprofile über das Jahr hinweg optimal ergänzen.
Warum spielt der Heizwärmebedarf eine so große Rolle für die Autarkie?
Da der Wärmebedarf in der Regel deutlich höher ist als der Strombedarf, hat die Effizienz der Wärmeversorgung und deren Speicherung einen maßgeblichen Einfluss auf das Gesamtergebnis der Autarkiequote.
Kann die Speichergröße unbegrenzt erhöht werden, um die Autarkie zu verbessern?
Nein, die Simulationen zeigen, dass mit steigender Kapazität des Saisonspeichers eine Art Sättigung auftritt, bei der der zusätzliche Nutzen eines noch größeren Speichers abnimmt.
Welche Rolle spielt die Dämmung von Gebäuden laut den Ergebnissen?
Die Arbeit stellt fest, dass eine Verringerung des Heizwärmebedarfs (etwa durch Sanierung) schneller zu einer höheren Wärmeautarkiequote führt als eine bloße Überdimensionierung des Energiespeichers.
- Arbeit zitieren
- Daniel Hartig (Autor:in), 2015, Strom‐Wärme‐Verbundsysteme mit Energiespeichern. Das Potential von Windenergie und Photovoltaik, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/418383
