Modellgestützte Optimierung des energetischen Eigenverbrauchs von Wohngebäuden bei sektorgekoppelter Wärmeversorgung - Vorstellung des POPART-Modells - Daniel Fehrenbach (Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Institute for Industrial Production (IIP), 2018)
Auf die Versorgung von Wohngebäuden mit Raumwärme und Warmwasser entfällt in Deutschland ein erheblicher Teil des Endenergiebedarfs. Ihrer Transformation kommt folglich eine gewichtige Rolle bei der Erreichung der energie- und klimapolitischen Ziele der Bundesregierung zu. Sogenannte sektorgekoppelte Wärmeerzeuger wie Wärmepumpen und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen ermöglichen es, nicht nur einen Beitrag zur Zielerreichung im Gebäudesektor zu leisten, sondern auch im Elektrizitätssektor durch die Bereitstellung elektrischer Flexibilität durch Wärmespeicherung. Das einschlägige wissenschaftliche Schrifttum weist gesamtwirtschaftliche Potenziale für diesen Ansatz nach. Das Interesse der vorliegenden Arbeit ist hingegen auf die Untersuchung der entsprechenden Potenziale aus einzelwirtschaftlicher Perspektive gerichtet. Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher die Entwicklung eines geeigneten Analyseinstruments zur Untersuchung der Entscheidungssituation bzw. zur Entscheidungsunterstützung bei der Investition in und dem Betrieb von Anlagen zur Energieversorgung einzelner Wohngebäude. Dabei sollen neben erneuerbaren Energietechniken zur Wärme- und Stromversorgung insbesondere Wärmepumpen und objektbasierte Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen betrachtet werden. Wesentlicher Inhalt der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und Beschreibung des resultierenden POPART-Modells und seine Anwendung auf o.g. Fragestellungen. Der Fokus liegt dabei auf der Betrachtung älterer Bestandsgebäude mit Gasnetzanschluss. Die Auswertung der Modellergebnisse zeigt ein hohes einzelwirtschaftliches Potenzial für objektbasierte Energiekonzepte. Dabei spielen vor allem die Photovoltaik und objektbasierte Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen eine wichtige Rolle, bei steigenden Gaspreisen auch die Solarthermie. Wärmepumpen spielen allerdings unter den untersuchten Rahmenbedingungen nur in Einzelfällen eine Rolle. Thermische und elektrische Speicher kommen bestenfalls in vernachlässigbaren Größenordnungen zum Einsatz. Die Ergebnisse erlauben die Schlussfolgerung, dass ein entscheidender Hebel zur Ausgabenminderung in der Verringerung des Strombezugs aus dem Netz durch Eigenverbrauch liegt. Anstelle der derzeit verbreiteten Praxis, die elektrische Eigenerzeugungsquote durch Investition in Speicherkapazitäten zu erhöhen, ist den Modellergebnissen zufolge vielmehr eine größere Dimensionierung der Umwandlungskapazitäten vorteilhaft. Insgesamt belegt die Ergebnisauswertung ein Spannungsverhältnis zwischen Sektorenkopplung und Eigenversorgung unter gegebenen regulatorischen Rahmenbedingungen, welches die Realisierung gesamtwirtschaftlicher Flexibilitätspotenziale in Frage stellt. – – Supplying residential buildings with space heating and hot water accounts for a considerable proportion of Germany's final energy demand. Their transformation therefore plays an important role in achieving the energy and climate policy goals of the Federal Government. Socalled sector-coupled heat generators such as heat pumps and combined heat and power plants will make it possible, not only to contribute to the achievement of objectives in the building sector, but also in the electricity sector by providing electrical flexibility through heat storage. The relevant scientific literature demonstrates the macroeconomic potential for this approach. The interest of the present work, on the other hand, is directed towards the investigation of the corresponding potentials from a microeconomic perspective. The aim of the present work is therefore to develop a suitable analytical instrument to investigate the decision situation and to support the decision to invest in and operate facilities for the energy supply of individual residential buildings. In addition to renewable energy technologies for heat and power supply, heat pumps and object-based combined heat and power plants in particular are to be considered. The main content of the present work is the development and description of the resulting POPART model and its application to the above questions. The focus is on older existing buildings with gas network connections. The evaluation of the model results shows a high microeconomic potential for object-based energy concepts. Photovoltaics and objectbased combined heat and power systems play an important role in this, as do solar thermal systems in the face of rising gas prices. Heat pumps, however, only play a role in individual cases under the framework conditions examined. At best, thermal and electric storage systems are used in negligible quantities. The results yield the conclusion that a decisive lever for reducing expenditure lies in reducing the amount of electricity drawn from the grid through private consumption. Rather than using the widespread approach of increasing the own generation rate by investing in storage capacities, the model results show that a larger dimensioning of the conversion capacities is advantageous. Overall, the evaluation of the results shows a tension between sector coupling and self-supply under given regulatory conditions, which calls into question the realisation of macroeconomic flexibility potentials.
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