In dieser Arbeit wird untersucht, ob ein mit einer PV-Anlage inklusive Batteriespeicher, Wärmepumpe und Ladesäulen (Wallboxen) ausgerüstetes Gebäude zu einer Entlastung des Netzes beitragen könnte. Aufgrund der zunehmenden Elektromobilität und des steigenden Strombedarfs wird das Netz in Deutschland früher oder später an seine Grenzen kommen. Deshalb gilt es Wege zu finden, um einer solchen Überlastung entgegenzuwirken und den Netzbezug zu reduzieren oder gar eine autarke Versorgung zu erzeugen.
Die Daten sollen möglichst realitätsnah betrachtet werden weshalb – soweit möglich – reale Daten verwendet wurden. Es soll beleuchtet werden, welcher Autarkiegrad im Jahr 2020 mit den unten genannten Komponenten erreicht werden kann. Dies wird anhand von drei Referenztagen aus jeweils Sommer-, Winter- und Übergangszeit näher betrachtet. Folgende Verbrauchswerte werden in dieser Arbeit genauer analysiert: Last der Mitarbeiter (Grundbedarf Mitarbeiter, Serverräume, Klimaanlage, etc.), Wärmepumpe zur Heizung des Gebäudes und Ladestation für E-Autos. Mithilfe folgender Komponenten soll elektrische Energie erzeugt, ggfs. gespeichert und Energie eingespart werden: Photovoltaikanlage, Batteriespeichersystem und Gebäudeenergiemanagement.
1 Einleitung
1.1 Problemumfeld
1.2 Aufgabenstellung
2 Grundlagen und Funktionsweise der Komponenten
2.1 Photovoltaikanlage
2.1.1 PV-Generator
2.1.2 Wechselrichter
2.2 Batteriespeicher
2.3 Klimaanlage
2.4 Wärmepumpe
2.5 Ladesäule (Wallbox)
3 Analysen und Untersuchungen zur elektrischen Energieerzeugung und Verbrauch
3.1 Allgemeine Anmerkungen zu den Untersuchungen
3.2 PV-Ertragsanalyse
3.3 Lastgangprofilanalysen
3.3.1 Gebäudeenergiebedarf
3.3.2 Energiebedarf Wärmepumpe und Klimaanlage
3.3.3 Energiebedarf der Ladesäulen
4 Bestimmung der Autarkiegrade, mit Ergebnissen und Diskussion
4.1 Bestimmung der Autarkiegrade
4.1.1 Autarkiegradbestimmung: PV-Erzeugung und Gebäudeverbrauch
4.1.2 Autarkiegradbestimmung: PV-Erzeugung und Gebäudeverbrauch inkl. Wärmepumpe
4.1.3 Autarkiegradbestimmung: PV-Erzeugung und Gebäudeverbrauch inkl. Wärmepumpe und Wallbox
4.2 Zusammenfassung der Ergebnisse
4.3 Auswertung der Ergebnisse
5 Kritische Schlussbetrachtung
6 Ausblick
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Ziel dieser Studienarbeit ist die Analyse des Autarkiegrades eines Bestandsbürogebäudes unter Berücksichtigung von Photovoltaik, Batteriespeicherung, Wärmepumpentechnik und Elektromobilität. Die Forschungsfrage untersucht, inwiefern eine autarke Energieversorgung des Gebäudes in einem Referenzjahr unter realitätsnahen Lastprofilen möglich ist, um das Stromnetz zu entlasten.
- Analyse des Lastgangprofils von Bürogebäuden im Jahresverlauf.
- Untersuchung von PV-Erzeugungsdaten und deren Einspeisung bzw. Eigenverbrauch.
- Bewertung des Energiebedarfs durch Wärmepumpen und Klimatisierung.
- Dimensionierung von Batteriespeichersystemen zur Steigerung der Autarkie.
- Integration von Ladeinfrastruktur (Wallboxen) für Elektrofahrzeuge.
Auszug aus dem Buch
1.1 Problemumfeld
Durch den politischen Wandel in hat die Elektromobilität in Deutschland zugenommen.
„Die Förderung von Elektroautos ist eine Maßnahme, um die Klima- und Umweltschutzziele der Bundesregierung zu erreichen - in Deutschland den Ausstoß des Klimakillers Kohlendioxid bis 2050, um mindestens 80 Prozent zu verringern. Öl wird außerdem immer knapper. Durch den Umstieg auf E-Autos könnte die Abhängigkeit von diesem fossilen Brennstoff reduziert werden.“ [1]
Allerdings birgt die Elektromobilität auch einige Gefahren, wie z.B. die Überlastung des Stromnetzes. Laut aktuellen Zahlen gibt es derzeit rund 600.000 E-Autos, die auf Deutschlands Straßen unterwegs sind – bis 2030 soll sich diese Zahl auf zehn Millionen E-Autos vergrößern. [2]
Doch wie sieht es mit der Infrastruktur aus ? Ist es möglich diese enorme Zahl an E-Autos auch mit elektrischer Energie zu versorgen ? Elektrische Energie ist nicht so einfach speicherbar wie Energie aus fossilen Brennstoffen wie z.B. Öl. Es gibt derzeit zwar elektrische Energiespeicher, sie sind aber sehr teuer in der Anschaffung und müssten dennoch geladen werden.
Welche Menge an elektrischer Energie ca. benötigt wird, um 10 Millionen E-Autos zu laden, verdeutlicht folgendes Gedankenexperiment:
Angenommen jedes E-Fahrzeug habe:
• eine Ladeleistung von 11 kW (AC)
• eine Batteriekapazität von 55 kWh
Die Ladekurve wird hier einfachheitshalber vernachlässigt und es wird eine konstante Ladung von 11 kW angenommen Das würde bedeuten, dass ein Auto fünf Stunden lang mit 11 kW Leistung lädt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beleuchtung des Problemumfelds durch Elektromobilität und die damit verbundenen Herausforderungen an das Stromnetz sowie die Formulierung der Aufgabenstellung.
2 Grundlagen und Funktionsweise der Komponenten: Erläuterung der technischen Funktionsweisen von Photovoltaikanlagen, Batterien, Klimaanlagen, Wärmepumpen und Ladesäulen.
3 Analysen und Untersuchungen zur elektrischen Energieerzeugung und Verbrauch: Durchführung der PV-Ertragsanalyse und detaillierte Untersuchung der Lastgangprofile von Gebäude, Wärmepumpe und Ladesäulen.
4 Bestimmung der Autarkiegrade, mit Ergebnissen und Diskussion: Detaillierte Berechnung der Autarkiegrade anhand ausgewählter Referenztage unter verschiedenen Szenarien sowie eine zusammenfassende Auswertung.
5 Kritische Schlussbetrachtung: Kritische Analyse der Ergebnisse hinsichtlich technischer Grenzen und Verbesserungspotenziale für die Energieautarkie von Bürogebäuden.
6 Ausblick: Diskussion potenzieller zukünftiger Entwicklungen und Forschungsansätze wie Wasserstoff-Nutzung oder Verbundnetze.
Schlüsselwörter
Elektromobilität, Photovoltaik, Autarkie, Batteriespeicher, Wärmepumpe, Wallbox, Lastgangprofil, Gebäudeenergiemanagement, Energieverbrauch, Netzbelastung, Eigenverbrauch, CO2-Reduktion, Stromnetz, Regenerative Energien, Energieeffizienz
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht, ob und wie ein Bürogebäude durch den Einsatz von Photovoltaik, Batteriespeichern, Wärmepumpen und Ladesäulen autark betrieben werden kann, um das öffentliche Stromnetz zu entlasten.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder umfassen die Analyse von Energieerzeugung mittels PV, den Stromverbrauch von Gebäuden, die Integration von Wärmepumpen zur Heizung sowie die Ladeinfrastruktur für E-Autos.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist die Ermittlung des erreichbaren Autarkiegrades für ein Bestandsbürogebäude im Jahr 2020 anhand von realen Last- und Erzeugungsdaten.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden eine PV-Ertragsanalyse, Lastgangprofilanalysen sowie berechnungsbasierte Autarkiegradbestimmungen an drei Referenztagen (Sommer, Winter, Übergang) durchgeführt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil analysiert die Funktionsweise der technischen Komponenten und führt detaillierte Berechnungen zum Energiebedarf und zur autarken Energieversorgung durch.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit ist geprägt durch Begriffe wie Elektromobilität, Autarkiegrad, Photovoltaik, Lastmanagement, Batteriespeicher und Energieeffizienz im Bürogebäudesektor.
Warum spielt der Gleichzeitigkeitsfaktor bei den Ladesäulen eine Rolle?
Der Gleichzeitigkeitsfaktor ist entscheidend für die Dimensionierung der Infrastruktur, da er beschreibt, wie viele Elektrofahrzeuge typischerweise gleichzeitig geladen werden, was die Netzlast maßgeblich beeinflusst.
Welche Schlussfolgerung zieht der Autor zur Batterienutzung?
Der Autor stellt fest, dass Batterien essenziell für die Erhöhung des Autarkiegrades sind, jedoch auch bei großen Kapazitäten keine 100-prozentige Autarkie im Winter und Übergang erreichen können.
Warum erreichen die untersuchten Szenarien oft keinen hohen Autarkiegrad?
Dies liegt primär am hohen Energiebedarf des Gebäudes und der E-Autos im Verhältnis zur begrenzten PV-Dachfläche sowie an saisonalen Erzeugungsschwankungen.
- Arbeit zitieren
- Semih Ülker (Autor:in), 2021, Autarkie eines Bürogebäudes mit Ladesäule. Maßnahmen zur Entlastung des Stromnetzes in Deutschland, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/1175821
