Strom‐Wärme‐Verbundsysteme mit Energiespeichern. Das Potential von Windenergie und Photovoltaik

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 Em-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 Anhang

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Literaturverzeichnis

Zusammenfassung - 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. Das dafür erforderliche Programm zur Konzeptanalyse wurde mithilfe von MATLAB programmiert und besitzt eine grafische Oberflächenstruktur (GUI) um verschiedene Parameter zu variieren. So werden Wärme- und Stromverbrauch, Erzeugung, Autarkiewerte sowie die Eigenverbrauchsquote berechnet und grafisch dargestellt. Die Daten 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. Angenommen wurde eine Mustersiedlung von 1.0 Haushalten mit einem Heizwärmebedarf von 12 GWh und einem Gesamtenergiebedarf von 16 GWh. Um den gewünschten Gesamtautarkiegrad über 70% mit gleichzeitiger Eigenverbrauchsquote über 80% zu erreichen ist folgende Systemdimensionierung bezüglich Einspeiseleistung und thermischer Speichergröße optimal: Energieerzeugung von Wind und Photovoltaik steht im Verhältnis 2:1. Bei einer thermischen Speicherkapazität von 1.950 MWh (3 Wochenspeicher) beträgt die erforderliche regenerativ erzeugte Energiemenge lediglich 7.000MWh, da ein hoher Anteil der Wärmemenge durch die WP bereitgestellt wird. Die Eigenverbrauchsquote sinkt bei gleichbleibender Gesamtautarkie unter 80% wenn der Heizwärmebedarf sinkt. Wird der Heizwärmebedarf variiert, so bleibt ein optimales Verhältnis von 2:1 bestehen. Als Quellen wurde die Masterarbeit von Katharina Koch, sowie verschiedene Internetseiten zum Thema Energie benutzt. Die Arbeit zeigt, dass bereits mit heutiger Technologie anspruchsvolle Ziele an den Autarkiegrad erreicht werden können.

Abstract - The impact of renewable energies on our combined heat and power is growing each day. This paper discusses ways to improve self-sufficiency by using different kinds of energy storage in combination with a heat-electricity compound system. The aim is, to achieve simultaneously a 70% self-sufficiency and an 80% self-consumption rate. A MATLAB code was used to simulate the data. This data was collected by the Fraunhofer Institut ISE in 2012. The program calculates the consumption and self-sufficiency rates of heat and electricity and simulates the results. It was detected, that the impact of the heat consumption exceeds the impact of the energy storage capacity. As a basis of calculation, the number of households was set to 1.000, heat consumption was 12 GWh and the total energy consumption was 16 GWh. The goal of 70% self-sufficiency and 80% self-consumption was achieved under following circumstances: The Wind/PV ratio was 2:1. The capacity of the energy storage was 1.950 MWh (3 cold weeks). The generated amount of energy was 7.000 MWh. It was found, that the self-consumption rate drops, if the heat consumption decreases and the total self-sufficiency remains at 70%. With growing capacity of the energy storage, the self-sufficiency rate rises as well. The sources for this paper are a master thesis from Katharina Koch, as well as various webpages regarding the topic of energy. The work shows, that even with today's technology it is possible to get high rates in self­sufficiency.

1 Einleitung

Durch die von der Bundesrepublik Deutschland beschlossene Energiewende, nimmt der Ausbau erneuerbarer Energien stetig zu, sodass im Jahr 2015 schon 25% der deutschen Stromversorgung aus erneuerbaren Energien besteht [14]. Der Ausbau von Wind- und Photovoltaikanlagen (PV) führt dazu, dass immer mehr Menschen ihre eigene Energie produzieren und somit unabhängig von großen Netzbetreibern werden. Daraus folgt eine Dezentralisierung des Energiemarktes. Um die Selbstversorgung weiter auszubauen, versuchen Privatkunden die Autarkiewerte mithilfe von Strom-Wärme-Verbundsystemen und Energiespeichern zu erhöhen. Die Arbeit befasst sich zunächst mit den Grundlagen bevor konkrete Konzepte zur Erhöhung der Autarkiequote erläutert werden.

1.1 Vorwort

Energie, sei es in der Form von Wärme, Elektrizität oder kinetischer Energie, ist fester Bestandteil unserer Art zu Leben. Obwohl die Vorteile von Wärme und Kraft schon sehr lange bekannt sind, wurde die elektrische Energie lange Zeit nicht verstanden. Zwar wurden Naturphänomene wie der Blitz oder der elektrische Schock des Zitteraals schon oft beobachtet, jedoch gab es zunächst keine Erklärung für ihr Entstehen. Erst im 18. Jahrhundert kam der Durchbruch. Einige Wissenschaftler, darunter bekannte Namen wie Charles du Fay und Luigi Galvani verstanden, wie Elektrizität funktioniert [41]. Sie erkannten, dass es positive und negative Ladungen gibt und nutzten Reibungselektrizität um Strom zu erzeugen. 1800 entwickelte der Italiener Alessandro Volta die Volta'sche Säule, die mit chemischer Elektrizität anstelle von Reibungselektrizität funktionierte. Dazu Schichtete er Kupfer- und Zinkplatten übereinander und trennte diese durch ein Elektrolyt. Dies war die erste Batterie [41]. Heutige Batterien werden nicht als Stromerzeuger sondern als Stromspeicher genutzt. Hergestellt wird der Strom konventionell in Kraftwerken und dann über kilometerlange Stromnetze an den Verbraucher weitergeleitet. Dies geschieht in Echtzeit. Das heißt, der Strom wird genau dann produziert, wenn er benötigt wird. Es gibt verschieden Möglichkeiten um Strom herzustellen. Meistens werden jedoch Rohstoffe wie Kohle oder Erdgas verbrannt. Die hierbei entstehende Wärmeenergie wird genutzt um Wasser zu erhitzen um dann mit Wasserdampf eine Turbine anzutreiben, welche über einen Generator Strom erzeugt. Bei Atomkraftwerken wird als Ausgangsrohstoff angereichertes Uran verwendet und dieses mit einem Neutron beschossen um eine Kernspaltung zu verursachen [27]. Die dabei frei werdende Energie erhitzt wiederum Wasser und der Wasserdampf treibt eine Turbine an. Auf diese Weise wurde konventionell unser Bedarf an elektrischer Energie gedeckt. Die Förderung erneuerbarer Energietechnologien wie Wind und Photovoltaik (PV), sowie der Ausstieg aus der Atomenergie führen jedoch zur Umstrukturierung des Energiemarktes. Der Trend zeigt, dass in Zukunft die Stromerzeugung in privat betriebenen Anlagen weiter steigt [28]. Somit produzieren mehr Menschen ihren eigenen Strom und sind weniger abhängig von großen Energiekonzernen. Um die Autarkiequote weiter zu erhöhen und unnötige Netzbelastungen zu minimieren ist es wichtig, die selbst erzeugte Energie zu Speichern und erst bei Bedarf abzurufen. Hierfür werden verschiedene Energiespeicher verwendet, welche im Verlauf der Arbeit genauer betrachtet werden.

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]

1.3 Anforderungen an das öffentliche Stromnetz

Im Jahr 2015 hat das deutsche Stromnetz eine Länge von etwa 1,7 Millionen Kilometern. Diese teilen sich In Hoch- und Höchstspannung Im Bereich von 60 kV - 380 kV, Mittelspannung (6 kV - 60 kV) und Niederspannung (230 V oder 400V) auf. Die Erzeugungsschwankungen durch erneuerbare Energien führen zu großen Netzbelastungen und erfordern einen sehr kostenlntenslven Ausbau des bestehenden Stromnetzes. Am 21.01.2015 hat die Bundesnetzagentur einen Bericht veröffentlicht, der die drei größten Herausforderungen Im europäischen Stromnetz anspricht [15]:

- Da die Erzeugung durch erneuerbare Energien stark fluktuiert, wird die Stromerzeugung mit dem Ausbau dieser ungleichmäßiger. Dies hat negative Auswirkungen auf die Netzstabilität.
- Es werden Immer mehr kleine Stromerzeugungsanlagen ans Netz angeschlossen. Dadurch wird das Stromnetz bidirektional und muss sowohl für Netzbezug als auch Elnspelsung ausgelegt sein.
- Der EU-weite Stromhandel nimmt zu und die Rolle Deutschlands als Transitland steigt. Neue Stromtrassen werden nötig. Damit sich die Bürgen nicht von den neuen Leitungen gestört fühlen, muss vermehrt In moderne Technologien, wie Z.B. Erdkabel Investiert werden. Auch Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) sollte weiter erforscht und auf seine Wirtschaftlichkeit geprüft werden [15].

2 Grundlagen von Energiespeichern

Eine Möglichkeit, diesen Problemen entgegenzuwirken Ist die Erforschung sogenannter ״Smart Grids". Hierfür werden die konventionellen Stromnetze durch moderne Technik erweitert. Dadurch Ist es möglich Kosten elnzusparen und die Effizienz der dezentralen Stromversorgung sowie die Versorgungssicherheit zu verbessern [29].

Kraftwerke werden konventionell mit Energie in Form von fossilen Brennstoffen versorgt. Rohstoffe wie öl, Gas oder Kohle können so bereits vor der Umwandlung in elektrische Energie zwischengelagert werden um mögliche Lieferengpässe abzufangen. Je nach Bedarf kann dann die Rohstoffzufuhr zu den Brennkammern reguliert werden. Mit dem Aufschwung der erneuerbaren Energien nimmt die Bedeutung von Energiespeichern zu. So muss auf dereinen Seite gewährleistet werden, dass eventuell auftretende Flauten bei Wind und Solar überbrückt werden. Zum anderen können durch Energiespeicher Versorgungsspitzen besser ausgeglichen werden. Im Allgemeinen helfen Energiespeicher, Lastschwankungen abzufangen [5].

2.1 Energiespeicher im vorhandenen Stromnetz

In Deutschland gibt es 2015 insgesamt 30 Pumpspeicherwerke für das normale Versorgungsnetz [30]. Neben Spitzenlastausgleich können Speicherwerke auch verwendet werden, um sogenannte Systemdienstleistungen zu erbringen. Ein Beispiel hierfür ist die Regelenergiebereitstellung, welche die Netzfrequenz bei unvorhersehbaren Ereignissen stabilisiert. Auch die Schwarzstartfähigkeit eines Systems, also die Möglichkeit zum Beispiel Kraftwerke nach schweren Störungen unabhängig vom Stromnetz wieder hochzufahren, kann durch Systemdienstleistungen gewährleistet werden [6]. Batteriespeicher werden aufgrund ihrer relativ hohen Kosten bisher nur in Privathaushalten und Anlagen zur ununterbrochenen Stromversorgung (USV) wie Krankenhäusern und im Straßenverkehr verwendet [6].

2.2 Arten von Energiespeichern

Es gibt verschiedene Möglichkeiten Strom zu speichern. Im Allgemeinen wird zwischen der Energieform, dem verwendeten Energieträger und der Art und Weise wie die Energie umgewandelt und gespeichert wird, unterschieden. Da ein Wirkungsgrad von 100% nicht erreichen werden kann, kommt es bei der Umwandlung von Energie immer zu Verlusten [7]. Folgende Eigenschaften bestimmen über das Einsatzgebiet der verschiedenen Energiespeicher:

- Speicherkapazität und Standortabhängigkeit
- der maximale Wirkungsgrad
- Investirons- und Betriebskosten
- die mögliche Anzahl der Speicherzyklen
- Reaktionszeit bis ein Speicherwerk benutzt werden kann. Dies ist vor allem bei USV- Anlagen wichtig [9].

2.2.1 Mechanische Energiespeicher

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Diese Art der Speicherung beruht auf physikalischen Prinzipien, wie der Energieerhaltung oder der Drehimpulserhaltung. Es wird wiederum zwischen kinetischer Energie, also Bewegungsenergie und potentieller Energie, sprich Lageenergie unterschieden. So kann ein Pumpspeicherwerk zu Letzterem gezählt werden. Diese Speicher bestehen aus zwei Wasserbecken, die sich auf unterschiedlicher Höhe befinden. Verbunden sind sie durch ein Fallrohr, welches an Turbinen angeschlossen ist. Bei Stromüberschuss wird Wasser vom unteren ins obere Becken gepumpt und somit die elektrische Energie in potentielle Energie umgewandelt. Bei Strommangel wird Wasser vom oberen ins untere Becken geleitet. Auf dem Weg treibt es eine Turbine an, die Strom erzeugt [7].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Pumpspeicherwerk

Ein weiteres Beispiel für potentielle Energiespeicher ist das Druckluftspeicherwerk. Hier wird überschüssige Energie genutzt um Luft unter hohem Druck zu verdichten. Bei Bedarf wird diese Druckluft dann mit Gas gemischt und verbrannt. Lageenergiespeicher werden oft für die bereits angesprochenen Systemdienstleistungen verwendet [7].

Kinetische Energiespeicher verwenden das Prinzip der Drehimpulserhaltung. Der Schwungradspeicher funktioniert so, dass zum Aufladen die Drehzahl des Schwungrades erhöht wird. Wenn das Schwungrad abgebremst wird kann so Energie zurückgewonnen werden. Diese Speicherart wird hauptsächlich für kurzzeitige und einmalige Unterstützung bei USV-Anlagen genutzt. Vorteile gegenüber Druckluft- oder Pumpspeicherwerken sind die sehr schnelle Lade- und Entladezeit und eine hohe Energiespeicherkapazität. Jedoch sind die Investitionskosten sehr teuer und die Selbstentladung kann bis zu 20% betragen [8].

Für den Stromgebrauch werden hierbei anorganische Speichermethoden verwendet. Dazu zählen beispielsweise Wasserstoffspeicher, überflüssiger Strom wird genutzt, um mithilfe von Elektrolyse Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Da Wasserstoff universell einsetzbar ist, bringt diese Methode viele Vorteile. Er kann verbrannt und so direkt zur Energieerzeugung genutzt werden. Außerdem findet Wasserstoff in der Mobilität Z.B. bei Hybrid Fahrzeuge Verwendung. Zudem kann er leicht transportiert, gespeichert und in das bestehende Erdgasnetz eingebunden werden. Dieses Konzept ist als ״Power to Gas" bekannt und stellt Wasserstoff mit einem Wirkungsgrad von über 80% zur Verfügung [7].

Weitere chemische Energiespeicher sind Batterien. Die allgemeine Funktionsweise besteht darin, dass elektrische Energie mithilfe von elektrochemischen Reaktionen gespeichert wird und bei Bedarf wiederum mit elektrochemischen Reaktionen abgegeben wird [7]. Die Anwendungsmöglichkeiten hierfür sind zahlreich. Einige Beispiele sind:

- Netzentlastung
- Betrieb von USV-Anlagen
- Spitzenlastausgleich bei Einzelanwendungen
- Inselbetrieb
- Eigenverbrauchsoptimierung [9].

Doppelschicht-Kondensatoren speichern elektrische Energie, indem sie sich das elektrische Feld zweier Elektroden (Kondensatorplatten) zunutze machen. Je größer die Oberfläche besagter Elektroden, desto größer die Speicherkapazität. Bei Bedarf kann die potentiell gespeicherte Energie schnell in Form von elektrischer Leistung abgerufen werden [7].

2.3 Batterien als Energiespeicher

Wie bereits in Kapitel 2.2.2. erwähnt kann elektrische Energie in chemischen Energiespeichern gelagert werden. Dafür gibt es eine Vielzahl verschiedener Batterie- und Akkumulator Typen. Im Folgenden werden nur die Gängigsten betrachtet. Zudem wird der Unterschied zwischen Akkumulatoren und Batterien erläutert.

2.3.1 Unterschied zwischen Batterie und Akkumulator

Batterien und Akkumulatoren werden gemeinhin als gleich betrachtet. Allerdings gibt es einige spezielle Unterschiede zwischen den beiden. Batterien sind sogenannte Primärzellen. Sie sind meist nicht wieder aufladbar und erzeugen Energie durch elektrochemische Reaktionen. Akkumulatoren hingegen sind Sekundärzellen und wieder aufladbar, was gleichzeitig ihrgrößter Vorteil ist. Dadurch sind sie umweltschonender und langlebiger. Jedoch werden Batterien immer noch verwendet, da diese schnell gewechselt werden können und keine lange Wartezeit für das Aufladen benötigt wird [24].

2.3.2 Vergleich von Lithium-Ionen-Akkumulator und Bleiakkumulator

Bei der Installation eines elektrischen Speichers muss zwischen dem altbewährten Bleiakkumulator und dem Innovativen LIthlum-lonen-Akkumulator unterschieden werden. Abbildung 3 gibt einen Überblick.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Vergleich Blei-/Lithium-Ionen-Batterie

Prognose: Blei- und Llthlum-Ionen-Akku Im Vergleich I © Dirk Sauer / RWTH Aachen [19].

Die Vorteile des Bleiakkumulators liegen vor allem Im langjährigen Umgang mit diesem. Daher Ist diese Technologie bereits sehr weit entwickelt und befriedigt das Sicherheitsbedürfnis der Kunden. Weiterhin können größere Speicherkapazitäten realisiert werden. Der maßgebliche Vorteil liegt jedoch In der Finanzierung. Die Anschaffungskosten für Blel-Säure-Akkumulatoren sind wesentlich geringer als die von Llthlum-Ionen-Akkumulatoren. Ein Nachteil Ist jedoch das hohe Gewicht, welches bei etwa 33kg pro kWh gespeicherter Leistung liegt. Im Vergleich: Llthlum-Ionen-Akkumulatoren wiegen nur etwa lkg/kwh [19]. Aus diesem Grund werden Bleiakkumulatoren nicht In der Elektromobllltät verwendet. Da es sich In dieser Arbeit jedoch um einen stationären Energiespeicher handelt, wird das Gewicht nicht als Nachteil betrachtet.

Die Vorteile von Lithium-Ionen Akkus liegen vor allem in der Langlebigkeit. Diese Technologie kann wesentlich mehr Ladezyklen aushalten und besitzt eine Lebensdauer von bis zu 20 Jahren. Zudem können diese Akkumulatoren tiefer entladen werden und die Selbstentladung ist geringer, was zu einem höheren Wirkungsgrad und somit niedrigeren Energieverlusten führt als bei einem Bleiakkumulator [20]. Ein Nachteil dieser Technologie ist jedoch der hohe Anschaffungspreis, wie aus Abbildung 3 zu entnehmen ist. Unter Einberechnung alle Faktoren ergeben sich bei beiden Akkumulator Typen Lebenszykluskosten von 13,2ct/kWh gespeicherter Leistung [19]. Daher ist es im Moment zweitrangig welcher Speichertyp installiert wird. Auf lange Sicht gesehen ist es möglich dass der Bedarf an Lithium-Ionen­Akkumulatoren durch die Elektromobilität ansteigt und somit die Preise sinken.

3 Strom-Wärme-Verbundsysteme

Die Grafik zeigt wie ein Strom-Wärme-Verbundsystem aufgebaut sein kann. Im Zentrum und gleichzeitig der größte Unterschied zu konventionellen Systemen, befinden sich Energiespeicher. Dies können sowohl elektrische, als auch thermische Speicher sein. Regenerative Energiequellen wie Wind- und Solarenergie bilden die Grundlage der Energieversorgung. Um die Energie bestmöglich zu nutzen, sind eine Wärmepumpe sowie ein Blockheizkraftwerk (BHKW) in das System integriert. Zusätzlich ist das Strom-Wärme­Verbundsystem an das öffentliche Stromnetz angeschlossen, um bei Energiemangel von dort Strom zu beziehen. Jedoch ist es bei einer Überproduktion auch möglich, Strom in das öffentliche Netz einzuspeisen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Strom-Wärme-Verbundsystem

3.1 Funktionsweise von Kraft-Wärme-Kopplung

Laut dem Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) versteht man unter Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ״die gleichzeitige Umwandlung von eingesetzter Energie in elektrische Energie und in Nutzwärme in einer ortsfesten Anlage" [10]. Da hier neben der alleinigen Stromerzeugung ebenfalls Wärme erzeugt wird, können Wirkungsgrade bis zu 90% realisiert werden [10]. Diese Technologie wird konventionell in Blockheizkraftwerken, Gasturbinen oder Gas- und Dampf Kraftwerken angewandt. Der Vorteil ist neben dem erhöhten Wirkungsgrad auch die mögliche Nutzung verschiedenster Energieträger wie öl und Gas, aber auch Holz oder Biomasse [10]. Die Funktionsweise der Kraft-Wärme-Kopplung lässt sich gut anhand eines Blockheizkraftwerkes erklären. Ein Verbrennungsmotor wird mithilfe der eben genannten Rohstoffe gespeist. Bei der Verbrennung erzeugt die Turbine Wärme, die für Heizung oder Warmwasser Versorgung genutzt wird. Gleichzeitig wird ein Generator betrieben, welcher Strom erzeugt, überschüssige Wärme wird in einem Warmwasserspeicher gelagert und bei Bedarf genutzt, überschüssiger Strom hingegen wird in das vorhandene Stromnetz eingespeist [11]. Abbildung 5 verdeutlicht dieses Prinzip schematisch.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Kraft-Wärme-Kopplung

3.2 Zukünftige Rolle von Kraft-Wärme-Kopplung im Energienetz

Die Zukunft von KWK in unserem Energienetz kann sich schnell in verschiedene Richtungen entwickeln. Auf der einen Seite versucht die Bundesregierung den Wärmebedarf in Haushalten bis 2020 um 20% zu senken, auf der anderen Seite erfordert der wachsende Anteil an erneuerbaren Energien einen flexibleren Einsatz von KWK-Anlagen in Deutschland [10]. Daher kann nur prognostiziert werden, dass auch mit steigenden regenerativen Energieträgern die Kraft-Wärme-Kopplung primär zur Einspeisung in das Stromnetz benutzt werden wird. Dadurch kann die Residuallast, also der Restbedarf an Energie der nicht von erneuerbaren Energieträgern gedeckt wird, weiter reduziert werden. Traditionell stellen konventionelle Kraftwerke die Residuallast zur Verfügung. Wenn zusätzlich zu KWK-Anlagen noch Wärmespeicher installiert werden, kann die Flexibilität des Versorgungssystems erhöht, und sogar teilweise von der Stromproduktion entkoppelt werden. Bei erhöhter Stromerzeugung kann die Anlage somit ausschließlich für die Wärmeproduktion genutzt werden [10].

3.3 Aufbau und Funktionsweise einer Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe funktioniert ähnlich wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt. Während der Kühlschrank die Wärme von innen nach außen transportiert, entzieht die Wärmepumpe der Umwelt Wärme und gibt sie an die Heizung ab [12]. Nachfolgende Skizze eines solchen Systems ist in drei Bereiche aufgeteilt. Die Wärmequellenanlage, die Wärmepumpe, welche die eigentliche Arbeit verrichtet und das Wärmeverteilsystem. Die Funktionsweise lässt sich wie folgt erklären: Zunächst wird die relativ kalte Umgebungstemperatur der Luft, Erde oder Wasser genutzt, um ein Kältemittel zu erwärmen. Dieses hat die Eigenschaft, schon bei niedrigen Temperaturen den gasförmigen Aggregatzustand zu erreichen. Dies geschieht im sogenannten Verdampfer. Im nächsten Schritt wird das Gas verdichtet. Dabei erhöhen sich bei geringer werdendem Volumen der Druck und somit auch die Temperatur des Gases. Im nächsten Schritt wird das Gas in den Verdampfer geleitet. Dieser Wärmetauscher überträgt die Wärme des heißen Kältemittels auf das Heizsystem. Hierbei wird das Gas wieder flüssig und durchläuft ein Expansionsventil um weiter abzukühlen. Nun kann es erneut Energie aus der Umwelt aufnehmen [12].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Wärmepumpe

4 Dimensionierung eines thermischen Saisonspeichers

Es gibt verschiedene Arten von thermischen Speichern. Aufgrund vieler Vorteile empfiehlt es sich jedoch auf einen thermischen Wasserspeicher zurückzugreifen. Dies hat folgende Gründe:

- Die Kosten sind viermal niedriger als bei Paraffin-Wärmespeichern [31].
- Bei Unfällen wird die Umwelt nicht geschädigt
- Das warme Wasser kann direkt für die Warmwasserversorgung genutzt werden
- Wasser hat eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität von 4,182 kJ/kgK bei 20°c [21].

Um herauszufinden, wie groß ein thermischer Saisonspeicher dimensioniert werden soll, bedienen wir uns folgender Sigmoid-Funktion.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hierbei wurde ein saniertes Einfamilienhaus betrachtet. Die Koeffizienten beschreiben einen standardisierten dynamischen Lastgang und wurden aus einer Dissertation der technischen Universität München entnommen [13]. Bei Gewerbe- und Industriegebäuden ändern sich diese Parameter erneut. Um die Größe des thermischen Speichers festzulegen wird angenommen, dass über den Zeitraum einer ganzen Woche eine Durchschnittstemperatur von -15°c herrscht. Aufgrund der S-Funktion macht es jedoch keinen Sinn noch kältere Temperaturen anzunehmen, da die Kurve schnell abflacht. Werden nun die Werte für -15°c in die Formel eingesetzt, so ergibt das einen h-Wert von 89,971 kWh pro Tag. Auf eine ganze Woche hochgerechnet erreicht man einen Heizwärmebedarf von 629,3 kWh. Für die weiteren Berechnungen wird die benötigte Speichergröße für eine kalte Woche auf 650 MWh für 1.000 Haushalte festgelegt [13].

5 Definitionen

In diesem Kapitel werden elementare Begriffe, die für das Verständnis der Arbeit wichtig sind, genauer erläutert.

5.1 Autarkiequote

Autarkie kommt vom griechischen Wort autárkela und bedeutet Selbstständigkeit oder Unabhängigkeit [32]. In diesem Sinne also unabhängig von großen Netzbetreibern. In Bezug auf Energie bedeutet dies, dass man den Eigenbedarf an Energie selbst erzeugt und nicht wie gewohnt aus einem Stromnetz bezieht. Mithilfe von erneuerbaren Energien und Photovoltaikanlagen Ist die Autarkiequote In den letzten Jahren gestiegen und es Ist möglich nicht nur einzelne Haushalte, sondern ganze Siedlungen autark Im Inselbetrieb zu versorgen [1]. ״Die Autarkiequote berechnet sich aus dem gesamten Verbrauch abzüglich der aus dem Verteilnetz bezogenen Energie geteilt durch den gesamten Verbrauch und wird In Prozent angegeben fürTag, Monat oder Jahr" [2]. Dabei wird zwischen Stromautarkie, Wärmeautarkie und Gesamtautarkie unterschieden. Folgende Formeln verdeutlichen dies:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Autarkieberechnung [13].

Hierbei Ist zu beachten, dass sich die Variablen X und Y je nach Größe des Energiespeichers, sowie der Entladetiefe ändern. Allgemein setzt sich die gesamte Regenerative Erzeugung aus der Summe von ״X + Y + Netzelnspelsung" zusammen. X gibt hierbei den Anteil der regenerativ erzeugten Energie an, der für den Stromverbrauch genutzt wird.

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