Future grid load of the residential building sector

  • Die zukünftige elektrische Netzlast der Wohngebäude

Kotzur, Leander; Stolten, Detlef (Thesis advisor); Wagner, Hermann-Josef (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag (2018, 2019)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt 442
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (xxi, 213 Seiten) : Illustrationen, Diagramme, Karten

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Zur Erreichung der Treibhausgasreduktionsziele im Haushaltssektor muss signifikant die Energieversorgungsstruktur der Wohngebäude verändert werden. Neben Einsparmaßnamen wird dabei vermehrt auf dezentrale Versorgungslösungen wie KWK-Anlagen, Photovoltaik und Batteriespeichersysteme zu Eigenversorgung gesetzt. Des Weiteren werden klassische Kessel durch Wärmepumpen ersetzt, welche im Rahmen der Sektorkopplung Raumwärme mit Hilfe erneuerbaren Stroms bereitstellen können. Dieser Wandel der Gebäudeversorgungsstruktur verändert signifikant die netzseitige Last der Wohngebäude und die Nachfrage nach zentraler Versorgungstechnologie. Daher ist das Ziel dieser Arbeit, die zukünftige Last der Wohngebäude zeitlich und räumlich aufgelöst abzuschätzen, um eine Grundlage für zukünftige Netzplanungen zu schaffen. Dazu wird ein neues Bottom-Up Modell entwickelt, welches als Gemischt-Ganzzahliges Lineares Optimierungsprogramm konzipiert ist. Das Modell optimiert die Struktur und den Betrieb der Energieversorgung und den Einsatz möglicher Effizienzmaßnahmen einzelner Wohngebäude unter der Prämisse von Kosteneffizienz. Als weitere Zielfunktion kann die Minimierung der Treibhausgasemissionen hinzugefügt werden. Das Modell berücksichtigt das zeitliche Verhalten der Bewohner, die Benutzung von elektrischen Geräten, dynamische Temperaturtoleranzen in den Wohnräumen, limitierte Dachflächen für Solarinstallationen, sowie verschiedene Sanierungstiefen der jeweiligen Gebäudehüllen. Die große Anzahl an Entscheidungsvariablen und deren Interaktion machen das Modell rechenintensiv, weshalb Methoden zur Zeitreihenaggregation eingeführt werden, um die Komplexität des Modells zu reduzieren. Um die Ergebnisse der Einzelgebäude auf eine nationale Perspektive hoch zu skalieren, wird ein Aggregationsalgorithmus eingeführt, der mit Hilfe von quadratischen Optimierungen Typgebäude aus Zensusdaten und vorhanden Gebäudedatenbanken erstellt. Insgesamt ist festzustellen, dass 200 Typgebäude in der Lage sind die Vielfalt des Gebäudebestandes in Deutschland auf Gemeindeebene darzustellen. Die Typgebäude werden mit dem Optimierungsmodell zunächst für die Jahre 2010 bis 2015 optimiert und die resultierende Endenergienachfrage wird mit den berichteten aggregierten Energienachfragen der Bundesregierung validiert. Zur Bestimmung der zukünftigen Last wird ein Szenario-Rahmen für den Wohngebäudesektor im Jahr 2050 definiert und ein kostenminimaler und klimaneutraler Gebäudebestand berechnet. Dabei werden über 130 GW Aufdach-Photovoltaik installiert, welche primär zum Eigenverbrauch von 90 TWh/a Photovoltaik-Strom innerhalb der Gebäude genutzt werden. Die absolute Stromnachfrage der Wohngebäude steigt signifikant an, da 17 bis 26 GW an elektrischer Wärmepumpenleistung installiert und betrieben werden. Sanierungsmaßnamen und Neubauten führen nur zu 30 % Einsparung bei der Raumwärme. Die räumliche Auflösung des Gebäudebestandes zeigt, dass die urbanen Gebiete die steigende Stromnachfrage durch effiziente KWK-Anlagen in Form von Brennstoffzellen kompensieren können. Diese sind jedoch nicht kosteneffizient in ländlichen Regionen. Dort fallen die Erzeugung des Photovoltaik-Stroms und die zusätzliche Stromnachfrage der Wärmepumpen zeitlich auseinander, sodass sich die Spitzennachfrage des Netzstroms im Winter verdoppelt.

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