Einfluss von Mikro-Anlagen für Wohngebäude auf die Stromerzeugungsstrukturen der Zukunft

Das Ziel der Arbeit ist die Berechnung des Entwicklungspotentials von Mikro-Kraft-
Wärme-Kopplungsanlagen in Wohngebäuden für die Stromerzeugungsstrukturen
Deutschlands bis zum Jahr 2030. Daher wurde überprüft, ob Mikro-KWK-Anlagen die
Fähigkeit besitzen, das Defizit zwischen Bruttostrombedarf und Kraftwerksarbeit zu
decken. Um ein vollständiges Bild für das Jahr 2030 abgeben zu können, wurde die
gesamte elektrische Erzeugungsstruktur dargestellt. Zusätzlich wurde analysiert,
welcher Mikro-KWK-Gerätetyp in welcher Anzahl notwendig wären, um ausreichend
positive sowie negative Reserveleistung bereitstellen zu können.
Durch methodische Analysen, Validierungsverfahren und Potentialabschätzungen
wurden drei relevante Mikro-KWK-Technologien untersucht und verifiziert. Die Bewertungen
basieren auf Modellbildungen einer neubauorientierten Referenz-Wohngebäudeanlage
nach EnEV 2014, durch die sich mit Simulationsrechnungen Jahresvollbenutzungsstunden
ermitteln ließen. Als Grundlage für diese Berechnungen wurden
thermische Energiebilanzen im Wohngebäude aufgestellt und Referenzlastprofile
nach VDI 4655 zur Simulation einer Betriebsperiode verwendet.
Substanzielle Ergebnisse stammen aus Trendrechnungen für Gerätezahlen und lassen
den Schluss zu, dass heutige Mikro-KWK-Konzepte das Potential haben, in ausreichender
Anzahl beinahe die gesamte Bruttostrombedarfslücke in 2030 zu decken.
Die Darstellung der deutschen Strom- und Wärmeerzeugung sowie der strombedingten
CO2-Emissionen beschreibt die Netzstrukturen für die Übertragung der Energieströme.
Hinzu kommen Untersuchungen über Lastprofile für Strom und Wärme sowie
Netz- und Kraftwerksplanungen.
Mit den Modellrechnungen der Referenz-Wohngebäudeanlage konnten für jeden Gerätetyp
separat Jahresvollbenutzungsstunden errechnet werden. Diese Jahreslaufzeiten
gingen in die energetische und ökonomische Bilanzierung ein. Aufgrund der
Ergebnisse lässt sich die Aussage treffen, dass die Entwicklung von Mikro-KWK-Technologien
so weit vorangeschritten ist, dass sie im Wohngebäudeenergiesektor
zukünftig flächendeckend einsetzt werden könnten.
Für die Beurteilung der Potentiale wurden Kriterien entwickelt, die sich aus Wirkungsgradketten,
Stromkennzahlen, Verfügbarkeiten, Modulationsgraden und Modulationsdynamiken,
dem Anfahrverhalten sowie der Lebensdauer zusammensetzen.
Mittels Wichtung konnten Ungleichgewichte zwischen den Einzelbewertungen
kompensiert werden. Die Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen weisen
Grenzinvestitionen aus, durch die das Subventionspotential verdeutlicht wird.
Durch die Anwendung der Bewertungskriterien konnte eine Rangfolge der Technologien
erstellt werden. Ein wesentliches Ergebnis ist, dass PEM-Brennstoffzellen erhebliche
Laufzeitvorteile gegenüber verbrennungsmotorischen Technologien aufweisen.
Für die Prognoserechnungen wurden Fallstudien erstellt, um die Deckungsfähigkeit
von Mikro-KWK-Konzepten für Bruttostrombedarfsdefizite bis 2030 ermittelt zu
können. Ein Ergebnis ist, dass PEM-Brennstoffzellenanlagen das Potential bieten,
dieses Bruttostrombedarfsdefizit in 2030 zu decken.
Die Fallstudien basieren auf Strom- und Wärmebedarfsprognosen. Sie sind nach
Strombedarfsszenarien und Investitionsaufwand gestaffelt.
Aufgrund der Energieartenverschiebung durch den Einsatz von Mikro-KWK-Geräten
und Strukturänderungen im Wohngebäudesektor wurde eine Überprüfung des
Gesamtjahreswärmebedarfs im Betrachtungszeitraum erforderlich. Die Untersuchung
ergab, dass bis zum Jahr 2030 genügend Wärmebedarf in Wohngebäuden zum
Betrieb von Mikro-KWK-Geräten vorhanden sein wird.
Die Ergebnisse der Trendrechnungen führten zu Aussagen über Gerätezahlen mit
nahezu vollständiger Deckung des Bruttostrombedarfsdefizits in 2030. Außerdem
wurde die Struktur der konventionellen und regenerativen Stromerzeugung bis 2030
ermittelt und abgebildet.
Eine weitere Überprüfung betrifft die Bereitstellung und Deckungsfähigkeit der relevanten
Mikro-KWK-Technologien für positive und negative Reserveleistung. Dabei
wurde der Nachweis der Regelenergiefähigkeit, gestaffelt nach Mikro-KWK-Technologie
geführt und deren Bedeutung für die Erzeugungsstrukturen bis in 2030 aufgezeigt.
Die Ausstattung aller deutschen Heizungsanlagen mit 1-kW-Mikro-KWK-Geräten
schafft 18,6 GW Regelenergieleistung.
Ergänzend wurden Perspektiven zur Einführung von Hybridkraftwerken und Virtuellen
Kraftwerken zusammen mit Mikro-KWK-Technologien entwickelt. Das denkbare
Zusammenspiel von Kraftwerksstrukturen, dem Regelenergiebeitrag, intelligenten
Stromnetzstrukturen und Stromspeichern mit Mikro-KWK-Anlagen wurde erläutert.
Die Substitution von Großkraftwerken, der Einfluss der Dezentralisierung durch Mikro-
KWK-Anlagen auf die Stromerzeugungsstrukturen sowie Einführungshemmnisse
wurden abgeschätzt. Abschließend wurden die Stabilisierung und Überwachung des
Stromnetzes, Sicherheitstechnik und Regeleinrichtungen für Mikro-KWK-Anlagen
sowie der Einfluss der Netzstabilisierung durch Blindleistungsbereitstellung dargelegt.
Insgesamt führen die Ergebnisse zu dem Schluss, dass es notwendig ist, relevante
Anschubförderungen der öffentlichen Hand für Mikro-KWK-Anlagen zu gewähren, um
diese volkswirtschaftlich sinnvollen Technologien zu unterstützen.
Als Handlungsempfehlung werden impulsgebende Fördermechanismen bereits während
der Investitionsphase einer Mikro-KWK-Anlage vorgeschlagen.