WARMWASSER ERNEUERBARE ENERGIEN KLIMA RAUMHEIZUNG „Wärmepumpendorf – lokal erzeugter Windstrom zur Wärmeerzeugung“ Erneuerbare Energie erfolgreich integrieren durch Power to Heat Dialogplattform Power to Heat Lutz Grünig | Goslar | 5. + 6. Mai 2015 Wärmepumpendorf Projektpartner Einkopplung von Umweltwärme Netz? 2 Funktionsweise Wärmepumpe 3 Optionen der „Windanbindung“ Basis: Verbräuche der Wärmepumpen messen! Ebene 1 = „Virtuelle Betrachtung“ Windenergie-Erträge theoretisch ermitteln. Ebene 2 = „Messdaten“ Winddaten real messen -> „Messmast“. Ebene 3 = „Verteilnetzebene“ Die Windenergieanlage speist ins Netz ein. Reale Daten der Windenergieanlage werden gemessen. 4 Optionen der „Windanbindung“ Ebene 4 = „Direktanbindung“ (Ziel der Studie) Direktanbindung der Windenergieanlage an ein „Dorf“. Netzbezug von Strom bei Flaute. Ebene 5 = „Autarkie“ oder „Inselvernetzung“ Insellösung und somit Autarkie der Stromversorgung. Koppelung mit einem weiteren Stromerzeuger. 5 Abgleich Lastgang Wärmebedarf Modellgebäude vereinfacht 155 m² Bestandsgebäude Gebäudewohnfläche 152 kWhth/m² a spezifischer Heizwärmebedarf (nach VDI 4655) 120 kWhth /Tag gemittelter Tagesbedarf (durchschnittlicher Wintertag, inkl. Warmwasserbereitung) 40 kWhel täglicher Strombedarf gemittelt Wärmepumpe erdgekoppelt -> Arbeitszahl ≥ 3, im Winter 6 Abgleich Lastgang Januar 2013 Windenergieanlage / Versorgung 100 Häuser Windenergieanlage •Bemessungsleistung 800 KW •Nabenhöhe >70 Meter •Standort Mittelgebirge / Weserbergland 100 Häuser (Tagesdaten) •Ertrag Windenergieanlage Jan 2013 WEel Jan 2013 = 169 MWh •Wärmepumpenstromverbrauch Jan 2013 WWP Jan 2013 = 124 MWh •Windstromverbrauch direkt Jan 2013 WWP dir Jan 2013 = 83 MWh •Einspeisung Jan 2013 WEin Jan 2013 = 86 MWh •Netzbezug Jan 2013 WNetz Jan 2013 = 41 MWh 7 Nutzung der Windenergie im Januar 2013 mit Wärmepumpen 20000 [kWh] 15000 10000 5000 0 0 5 10 15 20 25 30 [Tage] -5000 Ertrag [kWh] Verbrauch Wintertag [kWh] WPs direkt Windstrom [kWh] Netzbezug [kWh] 8 Jahr 2013 Symbiose: Windenergie - Wärmepumpe 20000 [kWh] 18000 Verbrauch der Wärmepumpe (gemittelt) 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 1.1 31.1 2.3 1.4 Tagesertrag 1.5 31.5 30.6 30.7 29.8 28.9 28.10 27.11 27.12 [Tage] Ertrag 31 Tage Mittelwert 9 Stromerzeugung mit Windenergie Verbrauchskurve prinzipiell Wärmepumpe (gemittelt) 11 Durchleitungskapazität einer Freileitung „Dynamische Kapazitätsauslastung“ Elektrotechnik 3/13; (Grafik: ETH) 12 Monitoring: Stromtransport in Überlandleitungen abhängig vom Wetter Grenztemperatur bei 80 °C für die gebräuchlichen Freileitungen ACSR-Seile (Aluminium conductor steel-reinforced cable) Bernina-Leitung*: Zwischen Engadin und Puschlav drei Messstellen Messfühler ermitteln dort die Seiltemperatur. Meteostationen messen die Lufttemperatur, die Luftfeuchtigkeit, die Windrichtung und –stärke und die Globalstrahlung. Jahreswechsel 2012/13: Festtage nur 500 Ampere, Seiltemperatur 10 °C nachfolgende Werktage 1400 Ampere, Seiltemperatur 25 °C *Hochspannungsleitung für 60, 220 und 380 kV über den Berninapass (Schweiz). 13 Das technische Potential Erneuerbare Energien weltweit 14 http://www.dwd.de/bvbw/generator/DWDWWW/Content/Oeffentlichkeit/KU/KU1/KU12/Klimagutachten/Windenergie/Windka rten__entgeltfrei/Windkarten__80m/BRD__Poster__80m,templateId=raw,property=publicationFile.pdf/BRD_Poster_80m.pdf Windgeschwindigkeit 80 Meter über Grund, Jahresmittel 15 Auf die richtigen Spieler setzen: Energiewende mit Wärmewende 1.400 TWh 1.200 TWh 1.000 TWh 800 TWh Neu Thermodynamisch: Gleichraumprozess (Otto) Gleichdruckprozess (Diesel) Seiliger Prozess (reale Bestwerte): 42 % PKW-Diesel 56 % Schiff-Diesel 600 TWh 400 TWh 200 TWh TWh Strom Erneuerbar Wärme Transport Nicht-Erneuerbar Endenergieverbrauch Deutschland nach Sektoren in 2012 16 Speichervergleich Volumenspezifisch bezogen auf 1 m³ ϑ in°C 700 600 500 Gespeicherte/Potentielle Energiemenge pro m³ 400 300 200 100 0 0 Wasser Erdgas (200bar) Batterie (Li-Ion) 2.000 4.000 6.000 Eisenoxid-Stein (700°C) Holz 8.000 Heizöl Wasser ∆h=300m 10.000 kWh/m3 17 Speichervergleich Volumenspezifisch bezogen auf 1 m³ ϑ in°C 700 600 500 Gespeicherte/Potentielle Energiemenge pro m³ EFH Verbrauch Wintertag Eis Latentenergie 0° C 400 300 Salzhydrat 57 - 59 °C 200 100 Eisenoxidstein bei 700°C 0 0 100 Wasser 200 300 400 Wasser ∆h=300m 500 600 700 kWh/m3 Batterie (Li-Ion) 18 Speichervergleich Volumenspezifisch bezogen auf 1 m³ ϑ in°C 100 90 Verbrauch EFH Wintertag 80 70 Eis Latentenergie 0 °C 60 50 40 Salzhydrat 57 - 59 °C 30 20 10 0 0 50 Wasser 100 150 Wasser ∆h=300m 200 250 kWh/m3 Batterie (Li-Ion) Gespeicherte oder potentielle Energiemenge pro m³ 19 Power-to-Heat vs. Power-to-Gas * 4,... kWh 1 kWh CH4 Primärenergie Strom 0,54 kWh ** * Stiebel Eltron, Leistungszahl (COP) Sole/Wasser-Wärmepumpe (bei B0/W35 EN 14511) ** http://www.heise.de/autos/artikel/Audi-gibt-Kohlendioxid-eine-Chance-1243674.html 20 Power-to-Heat vs. Power-to-Gas 4,… 0,54 Faktor*: 7,... * Wärmeerzeugung mittels Elektro-Wärmepumpe gegenüber „Strom“-Methanisierung und einer konventionellen Verbrennung. 21 Primary Energy Efficiency of Different Heat Generators 22 Wärmesektor: Erneuerbare Energien reduzieren CO2-Emissionen 23 Fazit Eine (weitgehend) regenerative Energieversorgung ist nur auf der Basis des Energieträgers Strom realistisch. Stromüberschüsse aus fluktuierender Erzeugung können über Elektrowärmepumpen erschlossen werden - die zugleich Regelleistung in Verbindung mit einem riesigem Speicherpotential anbieten. Gegenüber der Nutzung von Gas in GuD‐Großkraftwerken in Verbindung mit Elektrowärmepumpen fallen alle dezentralen Versorgungsoptionen von Gebäuden hinsichtlich der Brennstoffeffizienz zurück. Die Versorgungsstrategie Windenergie, kombiniert mit GuD und Elektrowärmepumpen zur Wärmeerzeugung ist mit den geringsten Infrastrukturkosten verbunden – mit Akzeptanz in der Zivilbevölkerung. Im Zusammenspiel mit dem EU‐CO2‐Zertifikatehandel bietet diese Strategie die größten CO2‐Minderungspotentiale – heute schon! 25 Literatur [1] BDEW, Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V. „Erneuerbare Energien und das EEG: Zahlen, Fakten, Grafiken“ (2014). [2] Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen 10/2012. [3] http://www.heise.de/autos/artikel/Audi-gibt-Kohlendioxid-eine-Chance-1243674.html [4] Stiebel Eltron, Leistungszahl (COP) Sole/Wasser-Wärmepumpe (bei B0/W35 EN 14511), https://www.stiebeleltron.de/de/home/produkte-loesungen/erneuerbare_energien/waermepumpe/sole-wasserwaermepumpen/wpf_04_05_07_10_1316cool/wpf_13_cool_2/technische-daten.html [5] ehpa, European heat Pump Association, 7thEHPA Forum, 20.05.2014, Berlin [6] Schmidt, Pape, Fraunhofer IWES [7] VDI Nachrichten, Stromnetze „Netzbetreiber zögern bei neuer Leiterseiltechnik“ Angela Schmid, 10. Januar 2014, Ausgabe 1, http://www.vdi-nachrichten.com/Technik-Wirtschaft/Netzbetreiber-zoegern-neuer-Leiterseiltechnik [8] Bulletin SEV/AES 13/2008 „Seiltemperatur und Durchhang von Freileitungen berechnen“, S27, Reinhard Kegel, Willi Berger [9] Elektrotechnik 3/13 „Wetterfühlige Stromleitungen“ Benedikt Vogel, S.36 [10] Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie „Energie in Deutschland“ Aktualisierte Ausgabe Februar 2013 [11] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, Spezielle Nutzer, Klimadaten des DWD (frei), http://www.dwd.de/bvbw/appmanager/bvbw/dwdwwwDesktop?_nfpb=true&_pageLabel=_dwdwww_menu2_leistungen_a-z_freiemetinfos [12] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, Klima und Umwelt „Windkarten“ http://www.dwd.de/bvbw/appmanager/bvbw/dwdwwwDesktop?_nfpb=true&_pageLabel=_dwdwww_klima_umwelt_gutachten&T1580543837 1147076760170gsbDocumentPath=Navigation%2FOeffentlichkeit%2FKlima__Umwelt%2FKlimagutachten%2FWindenergie%2FDownloads WinKa__80m__node.html%3F__nnn%3Dtrue [13] Next Energy, Statusbericht Mai 3013 „Statusbericht - Lastverschiebepotenzial von Wärmepumpen im Einfamilienhaus“, Marco Zobel 26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Stiebel Eltron GmbH & Co KG 37601 Holzminden http://www.stiebel-eltron.de/ www.waermepumpe.de [email protected] 27
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