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--- grundlagen:nachhaltige_energieversorgung_mit_passivhaeusern:passivhaus_-_das_naechste_jahrzehnt:ermittlung_anwendungsspezifischer_per-faktoren [2022/04/07 20:53] – [Warmwasserstromverbrauch WW-WP] wfeist
+++ grundlagen:nachhaltige_energieversorgung_mit_passivhaeusern:passivhaus_-_das_naechste_jahrzehnt:ermittlung_anwendungsspezifischer_per-faktoren [2022/04/07 21:05] (aktuell) – [EE-Methan] wfeist
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 ====== Ermittlung anwendungsspezifischer PER-Faktoren ======
-Es stellt sich heraus, dass die aufzubauende Versorgungsstruktur und deren Effizienz entscheidend von den mittleren Lastkurven der zu versorgenden Verbraucher abhängt - kurze Schwankungen im Bereich von wenigen Tagen spielen dabei letztlich eine weniger bedeutende Rolle((Anmerkung des Autors: Im Gegensatz zu der heute überwiegend geführten Diskussion ist die Kurzzeitspeicherung nicht das entscheidende Problem, da hierfür ökonomisch vertretbare Techologien in ausreichendem Maß vorhanden sind (z.B. Pumpspeicherkraftwerke), die "nur noch" in der Zahl ausgebaut werden müssten, wofür auch Standorte verfügbar wären. Hier handelt es sich um ein politisches Problem - das aber bei der vorherrschenden Stimmung doch ernst zu nehmen ist. Die sich als ebenfalls unverzichtbar herausstellende saisonale Speicherung (hier gibt es keine Standortprobleme, da die Speicher für Erdgas bereits heute in ausreichender Größe betrieben werden) erhöht demgegenüber wegen der höheren Verluste die Kosten für darauf angewiesene Anwendungen (wie z.B. die Heizung) spürbar; auch dieses Problem ist (durch verbesserte Effizienz) lösbar.)), da für deren Ausgleich die Netz-Medium-Speicher zur Verfügung stehen (z.B. Pumpspeicherkraftwerke). Anders liegt der Fall, wenn eine Anwendung einen saisonal stark schwankenden Bedarf hat, welcher z.B. über einen Zeitraum von mehreren Monaten auf Null zurückgeht, wie z.B. die Heizung. Für die mit den zugehörigen Primärstromquellen (z.B. Windkraftanlagen) erzeugte Energie gäbe es nun zunächst keine Nutzung - das ändert sich aber, wenn dieser „Überschussstrom“ der PtG-Anlage zugeführt, und daraus EE-Methan erzeugt wird. Die Bedingung für die Vollversorgung ist: \\
+Es stellt sich heraus, dass die aufzubauende Versorgungsstruktur und deren Effizienz entscheidend von den mittleren Lastkurven der zu versorgenden Verbraucher abhängt - kurze Schwankungen im Bereich von wenigen Tagen spielen dabei letztlich eine weniger bedeutende Rolle((Anmerkung des Autors: Im Gegensatz zu der heute überwiegend geführten Diskussion ist die Kurzzeitspeicherung nicht das entscheidende Problem, da hierfür ökonomisch vertretbare Technologien in ausreichendem Maß vorhanden sind (z.B. Pumpspeicherkraftwerke), die "nur noch" in der Zahl ausgebaut werden müssten, wofür auch Standorte verfügbar wären. Hier handelt es sich um ein politisches Problem - das aber bei der vorherrschenden Stimmung doch ernst zu nehmen ist. Die sich als ebenfalls unverzichtbar herausstellende saisonale Speicherung (hier gibt es keine Standortprobleme, da die Speicher für Erdgas bereits heute in ausreichender Größe betrieben werden) erhöht demgegenüber wegen der höheren Verluste die Kosten für darauf angewiesene Anwendungen (wie z.B. die Heizung) spürbar; auch dieses Problem ist (durch verbesserte Effizienz) lösbar.)), da für deren Ausgleich die Netz-Medium-Speicher zur Verfügung stehen (z.B. Pumpspeicherkraftwerke). Anders liegt der Fall, wenn eine Anwendung einen saisonal stark schwankenden Bedarf hat, welcher z.B. über einen Zeitraum von mehreren Monaten auf Null zurückgeht, wie z.B. die Heizung. Für die mit den zugehörigen Primärstromquellen (z.B. Windkraftanlagen) erzeugte Energie gäbe es nun zunächst keine Nutzung - das ändert sich aber, wenn dieser „Überschussstrom“ der PtG-Anlage zugeführt, und daraus EE-Methan erzeugt wird. Die Bedingung für die Vollversorgung ist: \\
 PE<sub>prim</sub> = E<sub>dir</sub> + E<sub>MS</sub> / η<sub>MS</sub> + E<sub>LS</sub> / η<sub>LS</sub> + E<sub>LV</sub> \\
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 ===== Heizstromverbrauch Heiz-WP =====
-Hier wird für das Beispiel - Passivhaus eine Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von 2.53 zugrunde gelegt, mit der sich ein Jahresstromverbrauch für die Heizung von 1080 kWh/a ergibt. \\
+Hier wird für das Beispiel - Passivhaus eine Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von 2,53 zugrunde gelegt, mit der sich ein Jahresstromverbrauch für die Heizung von 1080 kWh/a ergibt. \\
 Der Heizstrom erweist sich als das „Sorgenkind“ des EE-Versorgungssystems, da er innerhalb mehr als eines halben Jahres nicht auftritt (Sommer!) und einen ausgeprägten Leistungsbauch während des Winters aufweist. Bei konventionellen Gebäuden (inkl. Niedrigenergiehäusern) ist zudem der Verbrauch an Heizstrom deutlich höher als alle anderen Stromverbräuche. Zwar liefern Windkraftanlagen an der Küste im Winter (geringfügig) mehr Strom, dennoch ist die saisonale Gleichzeitigkeit der Primärstromerzeugung mit dem Lastverlauf des Heizenergiebedarfs unausgewogen. Die Heizung kann nur zu einem geringeren Anteil (trotz der hohen Zeitkonstante von Passivhäusern) aus direktem Primärstrom betrieben werden. Für die Kurzzeitspeicherung werden hier allerdings das Netz und der Medium-Speicher nicht in Anspruch genommen, da bei einem Passivhaus innerhalb von je etwa 3 Tagen die Zeitpunkte für den Betrieb der Heizung weitgehend frei - und das heißt orientiert am Stromangebot - gewählt werden können. Zu bedenken ist dabei allerdings auch, dass das Wärmebereitstellungssystem im Gebäude dann über eine entsprechend erhöhte Leistung verfügen muss; im Passivhaus, bei um 1,5 kW regulärer Maximalheizlast, ist das durchaus umsetzbar; bei Gebäuden mit höherer Heizlast (NEH etwa das Dreifache) würden dann schon so hohe Leistungen erreicht, dass allein deshalb eine solche Regelstrategie nicht ratsam ist (außerdem würde die Temperaturamplitude des zeitlichen Heizzyklus stark steigen). Trotz aller dieser Optionen steht auch bei Passivhaus-Standard insgesamt im Winter zu wenig Primärstrom für die Heizung zur Verfügung. \\
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 PER<sub>Heiz</sub> = 2,2 kWh<sub>PER</sub>/kWh<sub>Heiz</sub>, \\
-die Heizung erfordert damit einen erheblich höheren Aufwand bei der Erzeugung, Umwandlung und Speicherung der Energie. Dies gilt, wenn sich die Strombereitstellung auf die Region um den Standort (Würzburg) beschränkt - im übergeordneten Gesamtnetz können inkl. der dort besser verfügbaren Wasserkraft PER-Werte um 1,7 bis 1,9 kWh/kWh erreicht werden. Umgekehrt steigt der PER-Faktor mit 90 % regional erzeugter PV als Primärstromquelle für die Heizung sogar auf über 2.6 kWh<sub>PER</sub>/kWh<sub>Heiz</sub>. PV-Systeme sind damit für die Anwendung bei der Heizung nicht sonderlich gut geeignet. Auch dies unterstreicht wieder die Zweckmäßigkeit des Verbundes vieler Erzeuger und Verbraucher im Netz. Im vorliegenden Fall wäre es ratsam, der Baufamilie die Investition in einen Anteil an einer Windkraftanlage zu empfehlen - genau dieses Konzept ist bereits 1998 bei der ersten klimaneutralen Wohnsiedlung in Hannover am Kronsberg realisiert worden und hat sich dort bewährt [[grundlagen:nachhaltige_energieversorgung_mit_passivhaeusern:passivhaus_-_das_naechste_jahrzehnt#literatur|[Peper/Feist 2001]]]. \\
+die Heizung erfordert damit einen erheblich höheren Aufwand bei der Erzeugung, Umwandlung und Speicherung der Energie. Dies gilt, wenn sich die Strombereitstellung auf die unmmittelbare Region um den Standort (Würzburg) beschränkt - im übergeordneten Gesamtnetz können inkl. der dort besser verfügbaren Wasserkraft PER-Werte um 1,7 bis 1,9 kWh/kWh erreicht werden. Umgekehrt steigt der PER-Faktor mit 90 % regional erzeugter PV als Primärstromquelle für die Heizung sogar auf über 2.6 kWh<sub>PER</sub>/kWh<sub>Heiz</sub>. PV-Systeme sind damit für die Anwendung bei der Heizung nicht sonderlich gut geeignet. Auch dies unterstreicht wieder die Zweckmäßigkeit des Verbundes vieler Erzeuger und Verbraucher im Netz. Im vorliegenden Fall wäre es ratsam, der Baufamilie die Investition in einen Anteil an einer Windkraftanlage zu empfehlen - genau dieses Konzept ist bereits 1998 bei der ersten klimaneutralen Wohnsiedlung in Hannover am Kronsberg realisiert worden und hat sich dort bewährt [[grundlagen:nachhaltige_energieversorgung_mit_passivhaeusern:passivhaus_-_das_naechste_jahrzehnt#literatur|[Peper/Feist 2001]]]. \\
 Der Installationsbedarf für erneuerbare Erzeuger zur Deckung des Heizwärmepumpen-Strombedarfs beträgt für das Passivhaus etwa 22 m² „äquivalente PV-Fläche“, die allerdings in diesem Fall weitgehend durch einen entsprechenden Windkraftanteil gestellt wird. Die Füllung des Winterloches durch im Sommer per PtG-Prozess erzeugtem und gespeichertem Methan erfordert hier mindestens 72 Nm³ Speichervolumen bei Normalbedingungen. Die zugehörigen Speicher stünden dafür schon heute zur Verfügung (selbst wenn für alle Gebäude das Heizsystem Wärmepumpe gewählt würde), die Elektrolyse- und Methansynthese könnte auch hierfür ohne Weiteres an den Standorten der GuD-Kraftwerken für die Rückverstromung untergebracht werden. Dies geht aber nur deswegen so einfach, weil der Heizwärmebedarf bei Passivhäusern sehr gering ist.
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 |{{:picprivate:18pht_plenum_sanm_feist_wolfgang_abb_9.png?600}}|\\
-|//**Bild 9: \\ Erforderliche erneuerbare Primärenergie (Primärstrom) PER für Heizwärme-Strombedarfs \\ Heiz-WP im Passivhaus durch Windkraft und PV (Netz-Pufferspeicher / saisonal: EE-Methan); \\ Heizungs-Wärmepumpe mit Saisonarbeitszahl 2.53 (Deutsches Testref.-Jahr 12 mit auschließlich regionaler Stromerzeugung. Unter Einbindung des überregionalen Stromnetzes werden die Werte noch günstiger (um 1,7 bis 1,9 kWh/kWh)**//|\\
+|//**Bild 9: \\ Erforderliche erneuerbare Primärenergie (Primärstrom) PER für Heizwärme-Strombedarfs Heiz-WP im Passivhaus durch Windkraft und PV (Netz-Pufferspeicher / saisonal: EE-Methan); Heizungs-Wärmepumpe mit Saisonarbeitszahl 2.53 (Deutsches Testref.-Jahr 12 mit ausschließlich regionaler Stromerzeugung. Unter Einbindung des überregionalen Stromnetzes werden die Werte noch günstiger (um 1,7 bis 1,9 kWh/kWh)**//|\\
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 möglich. Wir beschränken den Begriff EE-Methan hier bewusst auf das aus Wind- oder PV-Kraftwerken als Primärstrom synthetisierte Methan (den Biogas-Anteil bilanzieren wir aus Budgetgründen gesondert, vgl. nächster Abschnitt). Dieser erneuerbare Primärenergiefaktor ist fast gleich hoch wie der für Heizstrom - das ist nur auf den ersten Blick paradox; denn, wird EE-Gas z.B. für die Heizung verwendet, so muss es zunächst vollständig aus Primärstrom unter Verlusten synthetisiert werden. Wird dagegen die Energie aus dem erneuerbaren Stromnetz bezogen, so stammt sie auch bei der Anwendung Heizung immer noch überwiegend aus der Primärstromerzeugung; nur der (bei der Heizung nicht unbedeutende) „Rest“ muss auf dem Umweg über die EE-Gas-Speicherung und mit zusätzlichen Verlust bei der Rückverstromung gewonnen werden. \\
-Aus dem sehr hohen PEE-Faktor für den Brennstoff Methan ergibt sich offensichtlich, dass sich z.B. eine Wärmeerzeugung mit einem Heizkessel zur Warmwasserbereitung verbietet. Sogar eine direktelektrische Warmwasserbereitung ist in einer erneuerbaren Struktur effizienter - und mit einer WW-Wärmepumpe ergeben sich um einen Faktor 3 bis 4 niedrigere Primärstromaufwendungen. Auch bei der Heizung ist jede Wärmepumpe nun deutlich günstiger als ein mit Brennstoff betriebenes System. Diese sind für eine Übergangszeit noch tolerierbar - sollten aber bei jeder sich ergebenden Gelegenheit durch Wärmepumpensysteme ersetzt werden. EE-Methan wird vor allem als leicht speicherbarer Brenn- und Treibstoff für mobile Anwendungen (einfache Umwandlung in Methanol) benötigt und kann dort auch höhere Erlöse erbringen - sowie für die zwingend erforderliche Rückverstromung, am besten in KWK-Einheiten mit GuD-Stromerzeugern. \\
+Aus dem sehr hohen PEE-Faktor für den Brennstoff Methan ergibt sich offensichtlich, dass sich z.B. eine Wärmeerzeugung mit einem Heizkessel zur Warmwasserbereitung verbietet. Sogar eine direktelektrische Warmwasserbereitung ist in einer erneuerbaren Struktur effizienter - und mit einer WW-Wärmepumpe ergeben sich um einen Faktor 3 bis 4 niedrigere Primärstromaufwendungen. Auch bei der Heizung ist jede Wärmepumpe nun deutlich günstiger als ein mit Brennstoff betriebenes System. //Diese sind für eine Übergangszeit noch tolerierbar - sollten aber bei jeder sich ergebenden Gelegenheit durch Wärmepumpensysteme ersetzt werden.//((Bemerkung 2022: Diese Analyse von 2014 wird inzwischen von fast allen Fachleuten geteilt. Der Übergang zu einer nachhaltigen Wärmeversorgung erfolgt am besten mit Hilfe von Wärmepumpen.)) EE-Methan wird vor allem als leicht speicherbarer Brenn- und Treibstoff für mobile Anwendungen (einfache Umwandlung in Methanol) benötigt und kann dort auch höhere Erlöse erbringen - sowie für die zwingend erforderliche Rückverstromung, am besten in KWK-Einheiten mit GuD-Stromerzeugern. \\
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