Wohnen und Elektromobilität im Rosensteinviertel Stuttgart Erzeugung und Bereitstellung der Energie zum Betrieb der Elektrofahrzeuge

EGS-plan Ingenieurgesellschaft für Energie-, Gebäude- und Solartechnik mbH

Im Auftrag von

Siedlungswerk GmbH Wohnungs- und Städtebau

Im Rahmen des Forschungsprojektes

Schaufenster Elektromobilität – LivingLab BW e mobil

Auftraggeber:

Siedlungswerk GmbH Wohnungs- und Städtebau Heusteigstraße 27/29 70180 Stuttgart Telefon +49 711 2381-0 Telefax +49 711 2381-225 [email protected] www.siedlungswerk.de Ansprechpartner: Christoph Welz Ingrid Kellermann

Auftragnehmer:

EGS-plan Ingenieurgesellschaft für Energie-, Gebäude- und Solartechnik mbH Gropiusplatz 10 70563 Stuttgart Fon (07 11) 99007–5 Fax (07 11) 99007–99 Internet: e-mail:

www.egs-plan.de [email protected]

Bearbeitung: Dr.-Ing. Boris Mahler Dipl.-Ing. Helmut Seiwald

Das Projekt „Wohnen und Elektromobilität im Rosensteinviertel Stuttgart“ ist eines von rund 40 Projekten im Schaufenster Elektromobilität Baden-Württemberg „LivingLab BW e mobil“ und wird vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur im Rahmen der Schaufensterinitiative der Bundesregierung gefördert. Die Bundesregierung hat im April 2012 vier Regionen in Deutschland als „Schaufenster Elektromobilität“ ausgewählt und fördert hier auf Beschluss des Deutschen Bundestags die Forschung und Entwicklung von alternativen Antrieben. Insgesamt stellt der Bund für das Schaufensterprogramm Fördermittel in Höhe von 180 Mio. € bereit. In den groß angelegten regionalen Demonstrations- und Pilotvorhaben wird Elektromobilität an der Schnittstelle von Energiesystem, Fahrzeug und Verkehrssystem erprobt.

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INHALTSVERZEICHNIS 1

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Einleitung ...................................................................................................................... 4 1.1

Ziele ........................................................................................................................ 4

1.2

Beschreibung der geplanten Wohnbebauung .......................................................... 4

1.3

Beschreibung des geplanten Fahrzeugbestands ..................................................... 5

Energiekonzept ............................................................................................................. 7 2.1

Wärme- und Strombedarf der Gebäude ................................................................... 7

2.2

Strombedarf der Fahrzeuge ..................................................................................... 8

2.3 Mögliche Stromerzeugungsarten im Quartier ........................................................... 9 2.3.1 Photovoltaik ...................................................................................................... 9 2.3.2 Blockheizkraftwerk .......................................................................................... 10 2.3.3 Windkraft ........................................................................................................ 10 2.4 Anlagentechnik (derzeitiger Planstand).................................................................. 11 2.4.1 Solarabsorber ................................................................................................. 12 2.4.2 Wärmepumpe ................................................................................................. 13 2.4.3 Eisspeicher ..................................................................................................... 13 2.4.4 Spitzenkessel ................................................................................................. 13 2.4.5 BHKW............................................................................................................. 13 2.4.6 PV-Anlage ...................................................................................................... 13 2.4.7 Stationärer Stromspeicher .............................................................................. 13 2.4.8 Internes Stromnetz ......................................................................................... 15 2.4.9 Geplante Ladeinfrastruktur ............................................................................. 16 2.4.10 Netzanschluss ................................................................................................ 16 2.5 3

Energiebilanzen (derzeitiger Planstand) ................................................................ 16

Detailuntersuchungen zum Strombedarf E-Mobilität ............................................... 22 3.1

Abhängigkeit vom zeitlichen Ladungsprofil ............................................................ 22

3.2

Abhängigkeit vom zukünftigen Ausbau der Fahrzeugflotte..................................... 23

3.3

Auslegung der Batteriekapazität ............................................................................ 25

4

Ausstehende Punkte im nächsten Arbeitspaket ...................................................... 26

5

Zusammenfassung ..................................................................................................... 27

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1

Einleitung Das Siedlungswerk Stuttgart hat mehrere zusammenhängende Grundstücke am Nordbahnhof Stuttgart erworben und wird dort in den nächsten Jahren das Bauvorhaben „Stadtwohnen im Rosensteinviertel“ realisieren. In insgesamt drei Bauabschnitten werden rund 450 Wohneinheiten erstellt. Das gesamte Projekt soll Vorbildcharakter für eine ressourcenschonende Bau- und Betriebsweise haben. Dies umfasst einen sehr guten Wärmeschutz und die regenerative Erzeugung der Betriebsenergie (Wärme und Strom), welche weitestgehend auf dem Grundstück selbst erfolgen soll. Darüber hinaus soll der Aspekt der umweltfreundlichen Mobilität berücksichtigt werden, was in Form von Elektrofahrzeugen realisiert werden soll. Der Bauabschnitt 1 nimmt dazu am Projekt LivingLab BWe mobil teil, das vom Bund als eines von vier Schaufenstern Elektromobilität gefördert wird.

1.1

Ziele Die geplanten Gebäude sollen den KfW 55-Standard (EnEV 2012) erfüllen. Dies bedeutet, dass der Primärenergiebedarf (Heizung, Warmwasser und Strombedarf zum Gebäudebetrieb) die Anforderungen der Energieeinsparverordnung (EnEV 2012) um 45% unterschreiten muss. Weitere vom Bauträger selbst gesteckte Ziele sind: Vom benötigten Gesamtwärmebedarf sollen mindestens 50% aus regenerativen Quellen direkt im Baugebiet erzeugt werden. Der für den Gebäudebetrieb (Wärmepumpe, Netzpumpen, Lüftungsanlagen), den Allgemeinstrom (Beleuchtung Tiefgaragen und Flure, Aufzüge) und die Elektromobiltät benötigte Strom soll zumindest bilanziell zu 100% im Baugebiet erzeugt werden. Dabei soll der Anteil der Netznutzung (Überschusseinspeisung bzw. Bezug) möglichst durch optimierte Regelung und den Einsatz eines stationären Stromspeichers minimiert werden.

1.2

Beschreibung der geplanten Wohnbebauung Baubeginn für den ersten Bauabschnitt mit ca. 125 Wohneinheiten ist 2014, der zweite BA mit weiteren 175 WE folgt voraussichtlich 2016. Die Bebauung besteht aus insgesamt 13 einzelnen Mehrfamiliengebäuden, wobei die Geschosszahl zwischen 4 und 7 variiert. Alle Gebäude haben Flachdächer. Die ersten beiden Bauabschnitte werden aus einer gemeinsamen Energiezentrale versorgt, die etwa in der Grundstücksmitte gelegen ist. Von hier erfolgt die Wärmeversorgung über ein Nahwärmenetz sowie die Stromversorgung für die internen Verbraucher. Am Projekt LivingLab BWe mobil nimmt der erste Bauabschnitt teil. Dieser umfasst 8 Gebäude mit insgesamt 125 Wohneinheiten. Die vorliegende Untersuchung bezieht sich auf den ersten Bauabschnitt.

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Abbildung 1: Lageplan Bauabschnitt 1

1.3

Beschreibung des geplanten Fahrzeugbestands Den Bewohnern im Baugebiet sollen Angebote für eine umweltfreundliche Mobilität gemacht werden. Dazu sollen verschiedene elektrisch angetriebene Fahrzeuge im Areal zur Verfügung gestellt werden. Die Fahrzeuge sollen auf Mietbasis von allen Bewohnern genutzt werden können. Zur Ermittlung des erforderlichen Fahrzeugbestands für die Elektromobilität erstellte das Institut für Stadtplanung und Sozialforschung Weeber+Partner im Rahmen des Arbeitspaket 1 des Projekts eine ausführliche Studie. Die Empfehlungen für den BA1 lauten wie folgt: -

Bereitstellung von 2 ausschließlich elektrisch angetriebenen PKW

-

Bereitstellung von 4 Pedelecs

-

Die Bereitstellung von E-Rollern wird nicht empfohlen

Die genannten Fahrzeuganzahlen sind als anfänglicher Wert zu verstehen. Je nach Akzeptanz kann der Fahrzeugbestand vergrößert werden. Bei den PKW wurde dem Siedlungswerk im Gutachten von Weeber+Partner empfohlen diese nicht selbst anzuschaffen, sondern mit einem Carsharing-Unternehmen zusammen zu arbeiten. Entsprechende Gespräche laufen derzeit. Die Fahrzeuge stehen daher ggf. nicht ausschließlich den Bewohnern des Rosensteinquartiers zur Verfügung, sondern auch Dritten. Hierdurch wird eine bessere Auslastung erreicht. Die Fahrzeuge werden daher nicht in der Tiefgarage sondern im Außenbereich (im Lageplan rot markiert) abgestellt und geladen. Es werden zunächst zwei Stellplätze im Norden des Gebiets zur Verfügung gestellt.

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Benachbart zu den PKW-Stellplätzen soll eventuell noch eine Fahrradverleihstation aufgebaut werden, die ebenfalls von dritter Seite betrieben wird und als Ladestation für Pedelecs dienen soll. Die Stromversorgung dafür erfolgt wiederum aus dem Baugebiet. Falls die Kooperation mit dem externen Fahrradverleih nicht zu Stande kommt, empfiehlt Weeber+Partner dem Siedlungswerk 4 Pedelecs anzuschaffen und den Bewohnern zur Nutzung bereitzustellen. Auf jeden Fall werden größere Fahrradräume bzw. zwei Abstellflächen in der Tiefgarage erstellt, die mit Lademöglichkeit versehen sind. Diese stehen auch den Bewohnern für die Ladung privater Pedelecs zur Verfügung. Darüber hinaus soll den Käufern bzw. Mietern auch die Möglichkeit zur Ladung privater Elektroautos bzw. Elektroroller gegeben werden. Hierzu kann jeder Stellplatz in der TG optional mit einem privaten Elektroanschluss für Wallboxen bzw. Ladegerät versehen werden. Der Strom hierfür wird über die entsprechenden Privatzähler abgerechnet und gehört somit nicht zu den Bilanzierungsgrenzen des Projekts.

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Energiekonzept

2.1

Wärme- und Strombedarf der Gebäude Der Wärmebedarf der Gebäude wurde mit dem dynamischen Simulationsprogramm TRNSYS berechnet. Mit dem Programm können sowohl Gebäude als auch technische Komponenten (Wärme- und Stromversorgung) abgebildet werden, wodurch sich das gesamte System unter Verwendung ortstypischer Wetterdaten in hoher zeitlicher Auflösung simulieren lässt. Als Ergebnis werden sowohl die Jahressummen als auch die zeitlichen Verläufe (Lastgänge) des Wärme- und Strombedarfs für den Gebäudebetrieb dargestellt. Der Strombedarf für Allgemeinstrom wurde mit Standardlastprofilen nach BDEW abgebildet. Für die Ladung der Elektrofahrzeuge wurden verschiedene Szenarien abhängig von Fahrzeuganzahl, Ladedauer- und Ladeleistung angenommen.

Abbildung 2: Wärmebedarf Bauabschnitt 1

Der Gesamtwärmebedarf ab Heizzentrale beträgt rund 615 MWh/a, wovon 9% durch Verteilverluste im Nahwärmenetz anfallen. Für die Warmwasserbereitung werden rund 39% verwendet und 52% für die Raumheizung.

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Abbildung 3: Strombedarf Bauabschnitt 1

Der Strombedarf für den Gebäudebetrieb (Wärmepumpe und Heizzentrale), Lüftungsanlagen, Allgemeinstrom und Elektromobilität wird durch die elektrisch angetriebene Wärmepumpe dominiert. Zusammen mit den Netzpumpen fallen innerhalb der Heizzentrale mit 143 MWh/a rund 68% des Gesamtbedarfs von 209 MWh/a an. Innerhalb der Gebäude kommen für Heizkreispumpen, Beleuchtung der Treppenhäuser, Kellerräume und der Tiefgarage noch knapp 60 MWh/a hinzu. Die Elektromobilität ist bei der oben dargestellten Anfangsausstattung mit 2 PKW und 4 Pedelecs mit 8 MWh/a untergeordnet, da sie nur knapp 4% des Gesamtbedarfes entspricht.

2.2

Strombedarf der Fahrzeuge Bei modernen Elektroautos wird ein Energiebedarf zwischen ca. 14 bis 17 kWh/100 km angegeben. Diese Werte werden analog zu Modellen mit Verbrennungsmotor auf dem Prüfstand (NEFZ) ermittelt und sind in der Praxis je nach Fahrprofil meist nicht zu erreichen. Unter Berücksichtigung der zusätzlichen Ladeverluste ist ein Wert von 20 kWh/100 km ab Steckdose eher realistisch. Als Jahresfahrleistung werden für die beiden Fahrzeuge jeweils 20.000 km/a angesetzt, da aufgrund der geplanten Nutzung als Carsharing-Fahrzeug ein intensiver Gebrauch erfolgt (Angabe Stadtmobil Stuttgart). Pro Fahrzeug werden somit 20 kWh/100km x 200x100km = 4 MWh/a Strom benötigt. Für E-Fahrzeuge in privater Hand wird vereinfacht mit halber Laufleistung und somit mit einem jährlichen Strombedarf von 2 MWh/a gerechnet. Bei den Pedelecs kann mit einer maximalen Fahrleistung von 2.000 km/a gerechnet werden. Der Stromverbrauch ist sehr gering, weist jedoch eine große Schwankungsbreite aufgrund des unterschiedlichen Eigenanteils des Radfahrers auf. Typischerweise werden 0,5 bis 2 kWh/100 km angegeben. Aufgrund der flachen Topographie Seite 8

der Innenstadtlage und der eher geringen Geschwindigkeiten im städtischen Verkehr werden hier 1 kWh/100 km angesetzt. Pro Pedelec werden somit 1 kWh/100km x 20x100km = 0,02 MWh/a Strom benötigt. Dieser Wert ist gegenüber den PKW’s nahezu vollständig vernachlässigbar und wird daher bei der weiteren Berechnung der Energiemengen nicht weiter berücksichtigt.

2.3

Mögliche Stromerzeugungsarten im Quartier

2.3.1 Photovoltaik Bezogen auf die gesamte Wohnfläche von rund 10.500 m² steht bei den Gebäuden mit ca. 1.700 m² nur eine vergleichsweise kleine Dachfläche zur Aufstellung der Solaranlagen zur Verfügung. Dies liegt an der durchschnittlich 5-geschossigen Bauweise. Die Dachflächen der niedrigsten Gebäude sollen aus optischen Gründen gar nicht belegt werden und zwei Gebäude bleiben der Solarthermie vorbehalten. Daher stehen von den Dachflächen im 1.BA nur drei für die Aufstellung von PVModulen zur Verfügung.

Abbildung 4: PV-Module (violett) und Solarabsorber (rot) im Bauabschnitt 1

Aufgrund einer Vorgabe des Stadtplanungsamtes sollen die Module möglichst flach eingebaut werden, die Neigung soll auf maximal 7-10° begrenzt werden.

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Abbildung 5: PV-Module auf beschwerungsfreiem Aufständerungssystem

Dies reduziert einerseits den spezifischen Ertrag auf ca. 950 kWh/kWp. Andererseits ermöglicht die flache Aufständerung aufgrund der geringen gegenseitigen Verschattung eine dichte Aufstellung der Reihen auf dem Dach und damit eine gute Flächenausnutzung. Insgesamt können so auf den Dächern Module mit einer Nennleistung von 74,8 kWp installiert werden, die eine Stromerzeugung von 71 MWh/a erreichen. Aufgrund der tageszeitlichen und saisonalen Schwankungen des Strahlungsangebots können PV-Module naturgemäß den Strombedarf nur zeitweise direkt decken.

2.3.2 Blockheizkraftwerk Durch ein Blockheizkraftwerk (BHKW) kann eine zeitlich weitestgehend unabhängige Stromerzeugung erfolgen. Bedingung für den Betrieb eines BHKW ist ein gleichzeitiger Wärmebedarf bzw. die Möglichkeit der Wärmespeicherung. Nach derzeitigem Planungsstand ist ein hocheffizientes BHKW mit einer elektrischen Leistung von 50 kW vorgesehen. Die Wärmeauskopplung beträgt dabei 81 kW vom Motor direkt plus weitere 10 kW durch einen Abgaswärmetauscher. Zur Speicherung der Wärme steht ein 10 m³-Pufferspeicher zur Verfügung, der allerdings auch durch eine Wärmepumpe genutzt wird. Durch eine spezielle Regelung wird bei Strommangel im Quartier das BHKW eingeschaltet, sofern die Wärmebedingungen (Bedarf bzw. Speichermöglichkeit) vorhanden sind. Somit wird der Netzbezug von Strom möglichst minimiert. Die Simulationsrechnungen ergeben eine Stromerzeugung von 238 MWh/a, was einer Laufzeit von rund 4700 h/a entspricht. Der Primärenergieverbrauch des BHKWs kann ggf. durch den Betrieb mit Biogas, d.h. die Auswahl eines entsprechenden Gasversorgungsvertrags verbessert werden.

2.3.3 Windkraft Neben den bekannten Windkraftanlagen mit Rotordurchmessern von 10 bis 100 m werden zunehmend auch Kleinwindkraftanlagen zur Gebäudeintegration (Montage auf dem Dach) angeboten. Diese sind neben „verkleinerten Ausführungen“ des StanSeite 10

darddesigns vor allem Anlagen mit senkrechter Drehachse ausgeführt als Savonius(Widerstandsläufer) oder Darrieus-Rotoren (Auftriebsläufer).

Abbildung 6: Kleinwindkraftanlage mit Leistungskurven

Ropatec 6kW-Anlage (Höhe 2,5m, Durchmesser 4,7m) Die am Markt verfügbaren Anlagen erreichen ihre Nennleistung typischerweise bei Windgeschwindigkeiten größer 12-15 m/s. Die Anlaufwindgeschwindigkeiten liegen bei minimal 2-3 m/s. Diese Anforderungen werden in der Stuttgarter Kessellage bei weitem nicht erreicht. Langzeitmessungen der Abteilung Stadtklimatologie der Stadt Stuttgart ergaben für die Messstation Stadtmitte eine mittlere Windgeschwindigkeit von lediglich 2,1 m/s (1987-2012). Die Nutzung der Windkraft ist daher nicht wirtschaftlich, so dass sie für das Projekt nicht weiter verfolgt wurde. Planungsrechtliche Fragen und Bedenken hinsichtlich Lärm und optischer Wirkung wurden nicht untersucht, dürften jedoch auch bei hinreichendem Windangebot so problematisch sein, dass eine Realisierung im großstädtischen Raum unmöglich ist.

2.4

Anlagentechnik (derzeitiger Planstand) Für das Baugebiet wurde ein Energieversorgungssystem entwickelt, das eine möglichst umweltfreundliche Wärmeerzeugung mit der Stromerzeugung vor Ort kombiniert. Kernstück der Wärmeversorgung ist eine elektrisch angetriebene Wärmepumpe, Absorberrohre auf den Dächern dienen als primäre Wärmequelle. Zur Überbrückung von Lastspitzen und zum Betrieb bei sehr sehr niedrigen Außentemperaturen dient ein unterirdischer Wasserspeicher, welcher durch die Wärmepumpe auch vereist werden kann (daher im Folgenden als Eisspeicher bezeichnet). Ein Teil der erzeugten Kälte wird im Sommer zur Komfortkühlung der Wohnungen verwendet. Der Grundbedarf an Strom wird durch die PV-Anlage gedeckt, weiterer Bedarf an Strom und Wärme durch das BHKW. Da die genannten Komponenten in der Heizzentrale schon für den 1.+2. BA gemeinsam dimensioniert sind, ist während der ersten beiden Betriebsjahre nur mit BA 1 nahezu keine zusätzliche Wärmeerzeugung erforderlich. Später wird ein Spitzenkessel das System ergänzen. Ebenso werden beim Bau des 2. BA die

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PV-Anlage und die Solarabsorber entsprechend der zur Verfügung stehenden Dachflächen erweitert.

Abbildung 7: Hydraulisches Anlagenschema Wärmeversorgung (BA 1+2)

2.4.1 Solarabsorber Die Solarabsorber aus Kunststoff werden flach auf das Dach gelegt und können durch den Betrieb mit der Wärmepumpe sowohl solare Einstrahlung als auch Umweltwärme nutzen. Im BA 1 werden 90 Einzelmodule mit insgesamt 245 m² verwendet.

Abbildung 8: Solarabsorber

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2.4.2 Wärmepumpe Die vorgesehene Wärmepumpe hat eine Nenn-Wärmeleistung (B0°/W35°) von 197 kW bei einer elektrischen Leistungsaufnahme von 46 kW. Je nach Betriebspunkt (Temperaturen im Verdampfer und Kondensator) variieren die Werte sehr stark. So beträgt die Heizleistung bei B-5°/W65° nur 114 kW b ei einem COP von 2,3 (z.B. Trinkwassererwärmung aus dem Eisspeicher), während bei B15°/W35° 339 kW bei einem COP von 6,2 erreicht werden (z.B. Heizbetrieb bei milden Temperaturen aus den Absorbern). Das reale Verhalten wird durch die Simulation in hoher zeitlicher Auflösung (12minZeitschritte) korrekt abgebildet.

2.4.3 Eisspeicher Zur Verbesserung des wärmepumpenbasierten Heizsystems dient ein erdvergrabener Wasserspeicher mit einem Volumen von ca. 800 m³. Sobald die Absorber auf den Dächern witterungsbedingt zu wenig Energie liefern, schaltet die Wärmepumpe auf den Speicher und kühlt diesen ab bis zur Vereisung. Damit kann auch der latente Wärmeinhalt beim Phasenwechsel genutzt werden, was das nötige Bauvolumen deutlich reduziert. Im Sommer wird ein Teil der als Nebenprodukt erzeugten Kälte zur Kühlung der Gebäude verwendet. Ansonsten wird der Speicher direkt durch die Absorber regeneriert.

2.4.4 Spitzenkessel Als Backup und zur Deckung der Bedarfsspitzen ist ein Spitzenkessel mit ca. 450 kW Heizleistung vorgesehen. Dieser wird entweder als Gaskessel (Betrieb mit Erdgas oder Biomethan) oder als Holzpelletskessel ausgeführt. Der Kessel wird erst endgültig mit dem 2. BA erforderlich, wenn sich der Bedarf mehr als verdoppelt.

2.4.5 BHKW Auslegung siehe 2.3.2

2.4.6 PV-Anlage Auslegung siehe 2.3.1

2.4.7 Stationärer Stromspeicher Zur Verringerung der Strommengen, die ins öffentliche Netz abgegeben bzw. von dort bezogen werden müssen, soll ein Stromspeicher eingesetzt werden. Damit können kurzfristige Schwankungen zwischen Angebot und Nachfrage ausgeglichen werden, bzw. der Bedarf zum Teil auch noch in den Abendstunden aus solaren Gewinnen gedeckt werden. Die verschiedenen Technologien für stationäre Speichersysteme sind nachfolgend kurz aufgeführt:

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Vorteile

Nachteile

Blei-Gel

LiFePO4

- niedrige Investitionskosten - hohe Strombelastbarkeit

- 70% nutzbare Speicher- - Ladevollzyklen > 5.000 kapazität - geringe Selbstentladung - Ladevollzyklen > 4.500 - Wartungsaufwand - Elektrolyt ist umweltverträglich - geringe Selbstentladung - Wartungsaufwand - hohe Stromtragfähigkeit - Brandverhalten

- gebundene Schwefelsäu- - hohe Investitionskosten re (bisher) - hohes Gewicht - Anzahl Vollzyklen < 2.500 - Selbstentladung - Alterung

Lithium-Ionen

Redox-Flow

- 100% Tiefentladung möglich - unbegrenzte Anzahl von Ladezyklen - Elektrolyt ist umweltverträglich - keine Selbstentladung

- hohe Investitionskosten - nur für sehr große - geringe StromtragfähigSpeicherkapazitäten keit - hohe Investitionskosten - Brandverhalten - großer Platzbedarf des Speichersystems - mechanische Elemente für Elektrolytkreislauf - hohe Wartungskosten

Tabelle 1: Technologieübersicht für stationäre Stromspeicher

Als weitere Technologie sind Blei-Säure Batterien zu nennen. Diese wurden wegen der Wartungsintensität, der zusätzlichen baulichen Aufwendungen wie säurefesten Wanne und der nötigen großen Be- bzw. Entlüftungsquerschnitte schon anfangs verworfen. Redox-Flow-Systeme erfordern hohen Wartungsaufwand und sind bislang nur für deutlich größere Anwendungen (>100 kWh) verfügbar. Reine Lithium-Ionen-Systeme weisen meist geringere Be- und Entladeleistungen und sind je nach Zusammensetzung (LiCo) brandgefährdet. Das wirtschaftlichste Batteriesystem ist nach heutigem Stand weiterhin die BleiBatterie, wobei damit zu rechnen ist, dass sich der Abstand zur Lithium-EisenPhosphat-Batterie aufgrund der technologischen Fortschritte und der Stückzahleneffekte deutlich verkleinern wird.

Tabelle 2: Entscheidungsmatrix für stationäre Stromspeicher

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In einer Entscheidungsmatrix wurden die verschiedenen Aspekte bewertet (von 1(gut) bis 4 (schlecht)). Daraus ergibt sich die Empfehlung für den Einsatz einer LithiumEisenphosphat-Batterie. Da der Speicher neben dem PV-Strom auch kurzfristige Überschüsse des BHKW’s aufnehmen soll, ist ein wechselspannungsseitig gekoppeltes System zwingend notwendig. Es wurde eine Sensitivitätsanalyse zur Speichergröße durchgeführt und mit den Kosten verglichen. Aufgrund der derzeit noch sehr hohen Kosten für Stromspeicher ist ein Speicher mit einer Kapazität von maximal 30 kWh vorgesehen. Von dieser Nominalkapazität sind bei Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LiFePO4) in der Regel 70-80% real für Be- und Entladungen nutzbar.

2.4.8 Internes Stromnetz Um die einfache Nutzung des im Quartier erzeugten Stroms zu ermöglichen und den Eigenverbrauchsanteil zu erhöhen wird ein zweites Wechselspannungsnetz verlegt (in Abbildung 9 rot dargestellt). An diesem Netz sind die Erzeuger PV und BHKW sowie der Batteriespeicher angeschlossen. Weiterhin sind betreibereigene Verbraucher wie z.B. die Heizzentrale sowie externe Verbraucher (z.B. Wohnungseigentümergemeinschaften), an die der Strom verkauft wird, angeschlossen. Zu letzterer Kategorie gehören auch die Abnehmer des Stroms für die Elektromobilität, im geplanten Bauprojekt voraussichtlich der Carsharing-Betreiber. Lediglich die Überschüsse bzw. der Restbedarf wird an der Schnittstelle zum öffentlichen Netz (schwarz dargestellt) abgerechnet. Das blau dargestellte Netz hat öffentlichen Charakter und verfügt wie üblich über einen Zähler für jede Wohnung. Jeder Mieter bzw. Eigentümer kann somit seinen Stromanbieter frei wählen, profitiert jedoch auch nicht von der internen Stromerzeugung.

Abbildung 9: Stromnetze im Bauabschnitt 1

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2.4.9 Geplante Ladeinfrastruktur Wie oben beschrieben soll die PKW-Ladestation im Norden des Baugebietes im Freien installiert werden (in Abbildung 1 rot markiert). Im ersten Ausbauzustand sollen 2 PKW unabhängig voneinander geladen werden können. Die Dimensionierung erfolgt auf derzeit verfügbare PKW mit Schnelllademöglichkeit wie z.B. das Modell Renault ZOE (3-phasig, 32A, d.h. 22 kW). Die Zuleitung von der Energiezentrale wird im Hinblick auf einen weiteren Ausbau auf mindestens die Doppelte Leistungsfähigkeit ausgelegt. In der Tiefgarage werden an zwei Stellen an den Fahrradabstellplätzen Lademöglichkeiten für Pedelecs eingeplant. Hierzu werden voraussichtlich je Raum 4-8 handelsübliche Schukosteckdosen mit einer separaten Zählung vorgesehen. Die Zugänglichkeit wird voraussichtlich durch Schlösser an den Dosen auf den eingewiesenen Nutzerkreis eingeschränkt.

2.4.10 Netzanschluss Wie in Kap. 2.2 beschrieben ist der Energiebedarf für die Elektromobilität im jetzt geplanten Zustand gering verglichen mit dem Gesamtbedarf. Dies gilt auch bei weiterem Ausbau bis ca. 10 Fahrzeuge im Areal. Allerdings erfordern die hohen Ladeleistungen beim Schnellladen eine entsprechende Dimensionierung des Hausanschlusses. Bei normaler Dimensionierung nach DIN 18015-1 (Wohnungen ohne elektrische Warmwasserbereitung) wäre bei 125 Wohneinheiten eine Anschlussleistung von lediglich 200 kVA (kW) erforderlich, da hier mit niedrigen Gleichzeitigkeitsfaktoren kalkuliert wird. Zuzüglich der Leistungswerte für Aufzüge, Allgemeinstrom und Heizzentrale ergibt sich ein Anschlusswert von ca. 260 kVA (kW). Demgegenüber steht der Leistungsbedarf für die Fahrzeuge mit Schnellladefunktion (22 kW, 3-phasig, 32A). Im ungünstigsten Fall würden also schon 12 Fahrzeuge die gleichzeitig laden den Leistungsbedarf des gesamten Quartiers verdoppeln. Es kann allerdings davon ausgegangen werden, dass der Bestand der zwingend schnellzuladenden Carsharing-Fahrzeuge nicht so stark wachsen wird, zumal auch hier die Gleichzeitigkeit zu berücksichtigen ist. Beim sicher eintretenden Zuwachs privater Elektrofahrzeuge kann davon ausgegangen werden, dass diese überwiegend über Nacht mit geringer Leistung geladen werden. In Abstimmung mit dem Elektroplaner wurde daher in der Voranfrage an den Netzbetreiber der Anschlusswert auf 345 kVA (kW) festgelegt.

2.5

Energiebilanzen (derzeitiger Planstand) In Abbildung 10 ist das Energieflussbild der Anlagenauslegung nach derzeitigem Planungsstand dargestellt.

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Abbildung 10: Energieflussbild Wärme- und Stromversorgung

Die in den Absorbern gewonnene Wärmemenge wird etwa hälftig direkt über die Wärmepumpe genutzt und hälftig in den Eisspeicher geleitet. In der folgenden Abbildung 11 sind die resultierenden Temperaturen und der Vereisungsgrad des Speichers im Jahresverlauf dargestellt. Rund die Hälfte des Jahres ist der Speicher aufgrund des Wärmeentzugs der WP großteils vereist. Die Kälte wird in den Sommermonaten zur Kühlung verwendet, danach erwärmen die Absorber den Speicher wieder auf knapp 20°C. Im Herbst beginnt w ieder der Heizzyklus mit Abkühlung und Vereisung. In Abbildung 12 sind die entsprechenden monatlichen Wärmeeinträge bzw. –entnahmen des Speichers dargestellt.

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Abbildung 11: Temperaturen und Vereisungsgrad im Eisspeicher

Abbildung 12: Wärmebilanz des Eisspeichers

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In Abbildung 13 ist dem Wärmebedarf die Deckung gegenübergestellt. Rund 40% des Wärmebedarfs wird aus Solar- bzw. Umweltwärme (Wärmegewinne des kalten Speichers und der Rohrleitungen, Abwärme aus den Gebäuden) gedeckt. Der Antriebsstrom der Wärmepumpe wird ebenfalls zu einem hohen Anteil regenerativ im Quartier selbst erzeugt. Somit verbleiben nur rund 35%, die auf fossiler Basis benötigt werden. Die Erzeugung erfolgt überwiegend im BHKW, der Spitzenkessel liefert nur sehr wenig und wird erst im BA 2 die Auslegungsleistung erreichen.

Abbildung 13: Deckung des Wärmebedarfs

Abbildung 14 zeigt die Deckung des Strombedarfs. Dieser wird bis auf einen sehr geringen Netzbezug von 10 MWh/a komplett im Quartier erzeugt. Die PV-Anlage liefert 71 MWh/a (gelb), wovon 47 MWh/a direkt oder über den Stromspeicher im Quartier genutzt werden. 24 MWh/a werden ins öffentliche Netz abgegeben und nach EEG vergütet. Der Hauptteil der Stromerzeugung kommt vom BHKW, da dieses von der Größe schon auf den Ausbau mit Bauabschnitt 2 ausgelegt ist. Von den erzeugten 238 MWh/a werden 153 MWh/a intern genutzt und 85 MWh/a ins Netz eingespeist.

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Abbildung 14: Deckung des Strombedarfs

Wie aus den letzten beiden Abbildungen ersichtlich wird, werden die gesteckten Ziele mind. 50% regenerative Wärme und 100% im Quartier erzeugter Strom deutlich übererfüllt. Dies liegt an der Auslegung (WP und BHKW), die den kommenden Bauabschnitt 2 mit berücksichtigt. Berechnungen für diesen Ausbauzustand zeigen, dass dann die Ziele genau erreicht werden. Durch die gewählte Anlagentechnik wird der Primärenergieaufwand gegenüber einer konventionellen Versorgung (Wärmeerzeugung ausschließlich durch Erdgas, Strombezug aus dem Netz nach deutschem Strommix) drastisch reduziert. Die Berechnung für die Wärmeversorgung (inklusive dafür nötigem Stromverbrauch) nach AGFW FW 309-1 ergibt eine Reduktion des Primärenergieaufwands von 678 auf 199 MWh/a, d.h. um 71% . Berücksichtigt man zusätzlich den Allgemeinstrom (Beleuchtung, Aufzüge, Lüftungsanlagen) und die Elektromobilität, dann wird der Primärenergieaufwand von 838 auf 278 MWh/a gesenkt (-67%). Die guten PE-Kennzahlen kommen auch durch den hohen Versorgungsanteil durch das BHKW und die kaum erforderliche Ergänzung im Spitzenkessel zu Stande, die wie schon erwähnt durch die Auslegung der Heizzentrale auf den höheren Bedarf durch die Bauabschnitte 1+2 begründet sind. Sollen die guten Werte auch nach dem Ausbau erreicht werden, dann muss der Spitzenkessel z.B. mit Biomethan betrieben werden.

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Abbildung 15: Reduktion des Primärenergieaufwands

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3

Detailuntersuchungen zum Strombedarf E-Mobilität Ergänzend zur vorstehend dargestellten Gesamtsimulation wurden Detailuntersuchungen durchgeführt, bei der insbesondere der Einfluss des Ladeverhaltens der Elektro-PKW auf die Energiebilanz untersucht wurde. Weiterhin wurde untersucht inwiefern die im Quartier erzeugte Energie für den weiteren Ausbau der Fahrzeugflotte ausreicht.

3.1

Abhängigkeit vom zeitlichen Ladungsprofil Um den Einfluss des Ladeverhaltens auf die Energiebilanzen zu untersuchen, wurden 6 verschiedene Ladeszenarien abgebildet: V1: Ladung 3,6 kW (1-phasig, 16A), 2 PKW nacheinander, tagsüber V2: Ladung 3,6 kW (1-phasig, 16A), 2 PKW gleichzeitig, tagsüber V3: Ladung 3,6 kW (1-phasig, 16A), 2 PKW nacheinander, nachts V4: Ladung 3,6 kW (1-phasig, 16A), 2 PKW gleichzeitig, nachts V5: Ladung 22 kW (3-phasig, 32A), 2 PKW, tags verteilte Kurzladungen (Carsharing) V6: Ladung 22 kW (3-phasig, 32A), 2 PKW, Vollladung nachts

Abbildung 16: Grafische Darstellung der untersuchten Ladeszenarien

Es wird bei diesem synthetischen Ansatz von einer gleichmäßigen Ladung jeden Tag ausgegangen. Täglich werden also je Auto rund 11 kWh nachgeladen (11 kWh/d x 365 d ~ 4 MWh/a). Es wurde berechnet, aus welchen Stromquellen die Fahrzeuge ihren Ladestrom beziehen. Die Ergebnisse sind in Abbildung 17 dargestellt. Seite 22

Abbildung 17: Bereitstellung des Ladestroms für 2 Elektrofahrzeuge

Man erkennt den Unterschied einer Ladung tagsüber (V1+2) gegenüber der Ladung nachts (V3+4) anhand dem fehlenden direkten PV-Anteil. Ein Teil des Stroms kann bei der nächtlichen Ladung aus dem stationären Stromspeicher bezogen werden, der mit PV- bzw. BHKW-Strom beladen wurde. Trotzdem steigt der Netzbezug an. Weiterhin erkennt man den Einfluss der höheren Ladeleistung der Autos bei Varianten 5+6. Hier steigt der Anteil der Ladung aus der Batterie und bei der Nachtladung der aus dem Netz.

3.2

Abhängigkeit vom zukünftigen Ausbau der Fahrzeugflotte Die vorstehend beschriebenen Ladeprofile wurden auf einen Bestand von 5 bzw. 10 Fahrzeugen im Quartier hochskaliert. Durch diese Hochrechnung wird eine gleichzeitige Belastung der Ladeinfrastruktur angenommen. In der Realität wird durch zeitliche Verteilung der einzelnen Fahrzeuge eine geringere Belastung auftreten. Abbildung 18 zeigt das Verhalten mit 5 Fahrzeugen, Abbildung 19 den Fall mit 10 Fahrzeugen. Im Vergleich mit Abbildung 17 erkennt man den deutlichen Anstieg des Netzbezugs mit steigender Fahrzeuganzahl insbesondere bei hoher Ladeleistung bzw. nächtlicher Ladung (Varianten 5+6). Die PV-Anlage kann hier nicht mehr Strom liefern. Das BHKW kann zwar durch eine höhere Laufzeit einen Teil des höheren Gesamtbedarfs der zusätzlichen Autos decken, komplett ist dies jedoch aufgrund der begrenzten Ausgangsleistung von 50 kW nicht möglich. Falls die Fahrzeuge jedoch mit geringer Leistung (1-phasig an der Schukosteckdose, wie z.B. Smart, Opel Ampera, u.a.) tagsüber geladen werden, ist das Gesamtsystem auch für eine erhöhte Anzahl leistungsfähig genug, was man daran erkennt, dass sich die Anteile der verschiedenen Stromquellen nur wenig verändern. Seite 23

Abbildung 18 : Bereitstellung des Ladestroms für 5 Elektrofahrzeuge

Abbildung 19: Bereitstellung des Ladestroms für 10 Elektrofahrzeuge

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3.3

Auslegung der Batteriekapazität Mit der Ladevariante 5 als wahrscheinlichstes Szenario und einem hochgerechneten Bestand von 5 Fahrzeugen wurde der Einfluss der Batteriekapazität ermittelt.

Abbildung 20: Einfluss der Kapazität des stationären Stromspeichers (5 Fahrzeuge)

Man erkennt klar den positiven Effekt eines stationären Stromspeichers. Schon bei der kleinsten Variante mit einer Nennkapazität von 30 kWh (davon sind in der Regel 70-80% real nutzbar) reduziert sich der nötige Netzbezug deutlich. Mit Hilfe des Speichers können mehr Autos geladen werden, da die Ladeleistung die Erzeugungsleistung des BHKW und meist auch der PV-Anlage übersteigt. Eine weitere Vergrößerung des Stromspeichers bringt dagegen nur eine geringfügige weitere Verbesserung, so dass aufgrund der hohen Kosten eine Kapazität von ca. 30 kWh zur Ausführung kommen wird. Der Stromspeicher wird nicht ausschließlich für die Elektromobilität eingesetzt, sondern versorgt im Bedarfsfall auch die anderen internen Verbraucher wie in Kap. 2.4.8 beschrieben.

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Ausstehende Punkte im nächsten Arbeitspaket -

Auswahlgespräche mit Carsharingbetreibern Festlegung der technischen Ausführung der Ladesäulen Auswahl des Abrechnungssystems Auslegung der nötigen Kabelquerschnitte Kostenermittlung Planung der Abstellflächen TG (Aspekte Brandschutz)

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Zusammenfassung Das in der Entwurfsplanung erarbeitete Energieversorgungskonzept ermöglicht es, die selbstgesteckten Ziele des Bauherren an die ökologische Qualität zu erfüllen. Der überwiegende Teil des Wärmebedarfs sowie der komplette Strombedarf für den Gebäudebetrieb, den Allgemeinstrom (Beleuchtung, Aufzüge, Lüftungsanlagen) und die Elektromobilität (Projekt LivingLab BWeMobil) wird im Quartier selbst erzeugt, ein Teil davon rein regenerativ. Dadurch lässt sich der Primärenergieaufwand gegenüber einer konventionellen Versorgung (Wärmeerzeugung durch Erdgas, Strombezug aus dem Netz nach deutschem Strommix) auf rund ein Drittel reduzieren. Die Eigenstromerzeugung erfolgt zu rund ¾ durch das BHKW und zu ¼ von der PVAnlage. Bei einer Bruttodachfläche von rund 1.700 m² können voraussichtlich nur knapp 500 m² PV-Modulfläche realisiert werden. Eine Vergrößerung der PV-Anlage ist aus baulichen bzw. planungsrechtlichen Gegebenheiten nicht möglich. Hier sollte bei künftigen Projekten eine Verbesserung angestrebt werden, so dass mehr PV-Fläche realisiert werden kann. Dies kann z.B. durch die Ausbildung von vollflächig belegbaren Pultdachflächen erfolgen. Der Strombedarf für E-Mobilität nach dem hier gewählten Prinzip mit der Bereitstellung von wenigen Fahrzeugen auf Carsharing-Basis ist mit unter 4% sehr klein gegenüber dem Gesamtstrombedarf von rund 210 MWh/a (für den Gebäudebetrieb und Allgemeinstrom, kein Privatstrom in den Wohnungen). Berücksichtigt man darüber hinaus den privaten Stromverbrauch in den Wohnungen mit ca. 3 MWh/a je WE, dann beträgt der Gesamtbedarf im Quartier rund 580 MWh/a. Der Anteil des Carsharing-Stroms sinkt dann in den Bereich 1 bis 1,5%. Allerdings sollte dann auch von zukünftig zunehmender privater Nutzung von Elektrofahrzeugen ausgegangen werden. Unter der Annahme von 25 privaten elektrischen Fahrzeugen (Bedarf jeweils ca. 2 MWh/a) ergibt sich ein Gesamtstrombedarf von 630 MWh/a, wovon rund 60 MWh/a für die gesamte E-Mobilität benötigt werden. Damit entfallen selbst bei optimistischer Zukunftsperspektive nur knapp 10% des Gesamtstrombedarfs auf die Elektromobilität, was durch entsprechende Auslegung der Stromerzeuger in fast allen Fällen gedeckt werden kann. Der mögliche Ausbau des Fahrzeugbestands ist allerdings bei der Anschlussleistung an das öffentliche Netz zu berücksichtigen, da insbesondere beim gleichzeitigen Schnellladen der Fahrzeuge Leistungen erforderlich sind, die in der Größenordnung des Anschlusswertes konventionell dimensionierter Quartierswerte liegen. Da sowohl hinsichtlich der zukünftigen Verbreitung der Elektrofahrzeuge und auch zur zeitlichen Verteilung der Ladevorgänge noch Erfahrungen fehlen, wird empfohlen die in der Evaluierungsphase gesammelten Daten sorgfältig auszuwerten um gesicherte Auslegungswerte für zukünftige Projekte zu erhalten. Weiterhin wird der Einsatz eines stationären Strom-Zwischenspeichers empfohlen. Dieser sorgt durch einen Ausgleich des Bedarfs- und Angebotsprofils für eine merkliche Erhöhung des Eigenverbrauchs des im Quartier erzeugten Stroms und damit zur Reduzierung des Netzbezugs. Dies gilt nicht nur für die Strommenge, sondern der Speicher reduziert auch den Leistungsbedarf am Netzanschlusspunkt. Da es sich bei der Stromspeicherung noch um eine neue Technik handelt, sind die praktischen Erfahrungen im Projekt Rosensteinviertel für künftige Bauvorhaben sehr wertvoll. Seite 27