Optimale Dimensionierung von dezentralen, regenerativen Energieversorgungssystemen in Quartieren

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die modellgestützte Dimensionierung und Analyse von dezentralen Energiesystemen zur Versorgung von Quartieren, bestehend aus Wohn- und Nichtwohngebäuden, mit Strom und Wärme sowie Wasserstoff für die Mobilität. Das Energiesystem kann technische Komponenten zur Energieerzeugung, -speicherung und -wandlung beinhalten. Auf Basis von Jahresrechnungen der Energienutzung wird die kostenminimale Systemkonfiguration ermittelt. Dabei wird die Betriebsführung des Gesamtsystems durch ein Ranglistenverfahren vorgegeben. Die Analysen in der vorliegenden Arbeit bewerten ein Energiekonzept, das den Ausbau der erneuerbaren Energien durch die lokale Nutzung fördert und einen signifikanten Beitrag zur Reduktion der Treibhausgasemissionen im Quartier leistet. Zuerst stehen in einem vereinfachten System Photovoltaikanlagen (PV) und Heizkessel als Erzeuger, SOFC und PEM-Elektrolyseur als Wandler zwischen den betrachteten Energieformen und Speicher in Form von einer Li-Ionen-Batterie, einem Wärmespeicher, einem Nieder- sowie einem Hochdruckwasserstoffspeicher zur Verfügung. Ausgehend von ökonomischen Parametern des Bezugsjahres 2017 besteht die optimale Systemkonfiguration ausschließlich aus PV, dem Heizkessel sowie einem kleinen Wärmespeicher. Im Rahmen dieser ersten Analyse wird gezeigt, unter welchen Bedingungen die SOFC in einem zukünftigen Energiesystem wirtschaftlich zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden kann. Des Weiteren werden als signifikante Parameter zur Wirtschaftlichkeit der lokalen Wasserstoffproduktion neben den spezifischen Investitionskosten des Elektrolyseurs vor allem die Einspeisevergütung sowie die spezifischen Investitionskosten der PV identifiziert. Die Wirtschaftlichkeit des Wasserstoffteilsystems lässt sich zunächst ausschließlich über die Mobilität darstellen. Bei weiterer Kostenreduktion wird zusätzlich die Rückverstromung des Wasserstoffs in der SOFC wirtschaftlich. Der Li-Ionen-Akkumulator wird in den meisten der untersuchten Fällen ergänzend eingesetzt. In diesem Kontext wird außerdem gezeigt, dass die kombinierte Deckung der drei Energiebedarfe monetäre sowie systemische Vorteile gegenüber der separaten Energiebereitstellung bietet. In einer zweiten Analyse wird die Systemkonfiguration um den möglichen Einsatz von Windkraftanlagen (WT) erweitert, um den Einfluss unterschiedlicher Stromerzeugungsstrukturen auf die optimale Systemkonfiguration herauszuarbeiten. Anhand zweier unterschiedlicher Standorte in Deutschland werden die Vorteile einer kombinierten Photovoltaik- und Windkraft-Erzeugung aufgezeigt. Mit dieser Systemkonfiguration ist es möglich, bei vergleichbaren Kosten, Treibhausgasemissionseinsparungen in Höhe von 55 % gegenüber der ausschließlich konventionellen Energiebereitstellung für das Bezugsjahr 2017 (Benchmark-System) darzustellen. Da keine der verwendeten Komponenten die elektrischen Überschüsse direkt in Wärme wandeln kann, ist die maximale Treibhausgasemissionseinsparung dieser Systemkonfiguration auf etwa 61 % begrenzt. Des Weiteren müssen hierfür sehr hohe erneuerbare Leistungen und Speicherkapazitäten bereitgestellt werden, was in sehr hohen Gesamtkosten resultiert. Aus diesem Grund wird in einer dritten Analyse eine elektrische Luft-Wärmepumpe sowie ein elektrischer Heizstab in die Systemkonfiguration aufgenommen. Mit diesen beiden Power-to-Heat-Komponenten können Emissionseinsparungen von bis zu 70 % kostenneutral gegenüber dem Benchmark-System erzielt werden. Das theoretische Potential der Emissionsreduktion liegt hier bei 90 %. Da hierfür jedoch verhältnismäßig hohe erneuerbare Leistungen benötigt werden, werden zuletzt zwei weiterführende Konzepte untersucht. Zum einen wird der Wärmebedarf des Quartiers reduziert und zum anderen das Erdgas durch synthetisches Methan aus erneuerbaren Quellen substituiert, wodurch, bei etwa gleichen Kosten, 90 % der Emissionen im Vergleich zum Benchmark-System vermieden werden können. In den Beispielen zur Emissionsreduktion wird die SOFC mit hohen Anteilen von Wasserstoff betrieben. Das im Rahmen dieser Arbeit erstellte mathematische Modell ermöglicht es, die grundlegenden Zusammenhänge und Wechselwirkungen bei der Auslegung von dezentralen Energiesystemen im Detail aufzuzeigen. Die dargelegten Ergebnisse können durch entsprechende Skalierung zu einer ersten wirtschaftlichen Abschätzung dieser Kategorie von Energiesystemen genutzt werden. Für eine fallspezifische oder praxisnahe Auslegung kann das entwickelte Modell angepasst und gegebenenfalls erweitert werden.