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Einsatz von PV-Systemen mit Wärmepumpen und Batteriespeichern

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Einsatz von PV-Systemen mit Wärmepumpen und
Batteriespeichern zur Erhöhung des Autarkiegrades in
Einfamilienhaushalten
Tjarko Tjaden, Felix Schnorr, Johannes Weniger, Joseph Bergner, Volker Quaschning
Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin
30. Symposium Photovoltaische Solarenergie,
Kloster Banz, Bad Staffelstein, 04.-06. März 2015
brennstoffbezogene Kosten in ct/kWh
Kostenvergleich von Heizungssystemen
Ölheizung
12
10
Gasheizung
8
Holzpelletheizung
6
4
Wärmepumpe
mit Heizstrom
2
2
Quellen: BSW, DEPV, Statistisches Bundesamt. Alle Kosten inklusive USt.
Jahresnutzungsgrad: Ölheizung (80%), Gasheizung (90%), Pelletheizung (80%)
2014
2013
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
0
brennstoffbezogene Kosten in ct/kWh
Kostenvergleich von Heizungssystemen
Ölheizung
12
10
Gasheizung
8
6
Holzpelletheizung
Wärmepumpe
mit Haushaltsstrom
4
Wärmepumpe
mit PV-Strom
2
3
Quellen: BSW, DEPV, Statistisches Bundesamt. Alle Kosten inklusive USt.
Jahresnutzungsgrad: Ölheizung (80%), Gasheizung (90%), Pelletheizung (80%)
Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe: 3,5
2014
2013
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
0
Wärmepumpe
mit Heizstrom
PV-System mit Batteriespeicher und Wärmepumpe
Batteriespeicher
Regelung
module
Wechselrichter
=

=
Wärmepumpe
kWh
Netz
4
Heizung
21 → 23 °C

Verbraucher
888.888
Raumtemperatur
Zweirichtungszähler
45 → 55 °C
Trinkwarmwasserspeicher
Außenluft,
Erdreich
PV-System mit Batteriespeicher und Wärmepumpe
Batteriespeicher
Regelung
module
Wechselrichter
=

=
Wärmepumpe
kWh
Netz
5
Heizung
21 → 23 °C

Verbraucher
888.888
Raumtemperatur
Zweirichtungszähler
45 → 55 °C
Trinkwarmwasserspeicher
Außenluft,
Erdreich
PV-System mit Batteriespeicher und Wärmepumpe
1
Batteriespeicher
Regelung
module
Wechselrichter
=

=
Wärmepumpe
kWh
Netz
6
Heizung
21 → 23 °C

Verbraucher
888.888
3
Raumtemperatur
Zweirichtungszähler
2
45 → 55 °C
Trinkwarmwasserspeicher
Außenluft,
Erdreich
COP
el. Leistun
3
2
Verhalten
unterschiedlicher Wärmepumpentypen
1
elektrische
und
Gebäudesund
eines Leistung
Heizlast
in kW in kW
Heizleistung
der Wärmepumpe
Heizleistung
0
15
Differenz aus Angebot und Nachfrage
 taktender Betrieb der Wärmepumpe
12
9
6
3
0
-15
7
-10
-5
0
5
Quelltemperatur in C
C
Außentemperatur
Grundlage: Datenblattangaben der Wärmepumpe „Stiebel Eltron WPL 13“
10
15
COP
el. Leistun
3
2
Verhalten
unterschiedlicher Wärmepumpentypen
1
elektrische
und
Gebäudesund
eines Leistung
Heizlast
in kW in kW
Heizleistung
der Wärmepumpe
Heizleistung
0
15
Differenz aus Angebot und Nachfrage
 taktender Betrieb der Wärmepumpe
12
9
6
3
0
-15
8
-10
-5
0
5
Quelltemperatur in C
C
Außentemperatur
10
Grundlage: Datenblattangaben der Wärmepumpe „Stiebel Eltron WPL 13“, Anpassung der Modulation: eigene Berechnung
15
COP
el. Leistun
3
2
Verhalten
unterschiedlicher Wärmepumpentypen
1
elektrische
und
Gebäudesund
eines Leistung
Heizlast
in kW in kW
Heizleistung
der Wärmepumpe
Heizleistung
0
15
Differenz aus Angebot und Nachfrage
 taktender Betrieb der Wärmepumpe
12
9
6
3
0
-15
9
-10
-5
0
5
Quelltemperatur in C
C
Außentemperatur
10
Grundlage: Datenblattangaben der Wärmepumpe „Stiebel Eltron WPL 13“, Anpassung der Modulation: eigene Berechnung
15
Simulation unterschiedlicher Gebäudetypen
Außentemperatur
interne
Gewinne
Heizung /
Kühlung
Wärmeverluste durch
Konvektion und Leitung
thermischer Speicher
10
Solare Gewinne
durch Fenster
Simulation unterschiedlicher Gebäudetypen
Effizienzklasse D
Effizienzklasse A
Wärmebedarf
HZ: 95 kWh/(m² a)
TWW: 20 kWh/(m² a)
Wärmebedarf
HZ: 25 kWh/(m² a)
TWW: 20 kWh/(m² a)
modernisierter Altbau
11
Effizienzhaus 40
Effizienzklassen nach EnEV 2014, Einordnung nach Endenergiebedarf für Heizung (HZ) und Trinkwarmwasser (TWW) in Summe
Lastprofil: Einfluss des Wärmepumpentyps
ohne Modulation
max. 50% Modulation
volle Modulation
ohne Modulation
max. 50% Modulation
volle Modulation
3
3
2
2
1
1
0
0
1500
3000
4500
Stunden im Jahr
6000
0
1500
3000
4500
Stunden im Jahr
Effizienzhaus 40
modernisierter Altbau
12
4
Wärmepumpe
0
6000
elektrische Leistung in kW
elektrische Leistung in kW
4
15%
15%
12%
12%
Trinkwarmwasser
9%
9%
6%
6%
3%
3%
ohne Nachtabsenkung
ohne Nachtabsenkung
0%
0%
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23
Stunde des Tages
1
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23
Stunde des Tages
Effizienzhaus 40
modernisierter Altbau
13
3
Wärmepumpe
Anteil der Stunde am
Jahresenergieverbrauch
Anteil der Stunde am
Jahresenergieverbrauch
Lastprofil: Einfluss einer Nachtabsenkung
Lastprofil: Einfluss einer Nachtabsenkung
15%
30% des
Verbrauchs
28% des
Verbrauchs
12%
9%
9%
6%
6%
3%
3%
ohne Nachtabsenkung
ohne Nachtabsenkung
0%
0%
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23
Stunde des Tages
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23
Stunde des Tages
Effizienzhaus 40
modernisierter Altbau
14
12%
Wärmepumpe
Anteil der Stunde am
Jahresenergieverbrauch
Anteil der Stunde am
Jahresenergieverbrauch
15%
15%
15%
12%
12%
9%
9%
6%
6%
3%
3%
0%
1
3
5
7
ohne Nachtabsenkung
ohne Nachtabsenkung
mit Nachtabsenkung
mit Nachtabsenkung
9 11 13 15 17 19 21 23
Stunde des Tages
modernisierter Altbau
15
Wärmepumpe
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23
Stunde des Tages
Effizienzhaus 40
0%
Anteil der Stunde am
Jahresenergieverbrauch
Anteil der Stunde am
Jahresenergieverbrauch
Lastprofil: Einfluss einer Nachtabsenkung
15%
15%
12%
12%
9%
9%
6%
6%
3%
3%
0%
0%
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23
Stunde des Tages
modernisierter Altbau
16
Wärmepumpe
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23
Stunde des Tages
Effizienzhaus 40
Anteil der Stunde am
Jahresenergieverbrauch
Anteil der Stunde am
Jahresenergieverbrauch
Lastprofil: Einfluss der SG-Ready Schnittstelle
15%
15%
12%
12%
9%
9%
6%
6%
3%
3%
0%
0%
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23
Stunde des Tages
modernisierter Altbau
17
Wärmepumpe
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23
Stunde des Tages
Effizienzhaus 40
Anteil der Stunde am
Jahresenergieverbrauch
Anteil der Stunde am
Jahresenergieverbrauch
Lastprofil: Einfluss der SG-Ready Schnittstelle
Lastprofil: Einfluss der SG-Ready Schnittstelle
15%
12%
12%
9%
9%
6%
6%
3%
3%
0%
0%
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23
Stunde des Tages
modernisierter Altbau
18
49% des
Verbrauchs
46% des
Verbrauchs
Wärmepumpe
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23
Stunde des Tages
Effizienzhaus 40
Anteil der Stunde am
Jahresenergieverbrauch
Anteil der Stunde am
Jahresenergieverbrauch
15%
Autarkiegrade der PV-Speichersysteme
70%
Autarkiegrad
60%
Autarkiegrad ohne
Wärmepumpe
Autarkiegrad mit
Wärmepumpe
und
50%
50%
40%
40%
30%
30%
20%
20%
10%
10%
0%
0%
4 kWp
7 kWp
10 kWp
modernisierter Altbau
19
60%
Haushaltsstrombedarf: 4000 kWh
Wärmepumpe mit max. 50% Modulation
Wärmepumpe
4 kWp
7 kWp
10 kWp
Effizienzhaus 40
Autarkiegrad
70%
Autarkiegrade der PV-Speichersysteme
70%
Autarkiegrad
60%
Autarkiegrad ohne
Wärmepumpe
Autarkiegrad mit
Wärmepumpe
und
50%
50%
40%
40%
30%
30%
20%
20%
10%
10%
0%
0%
4 kWp
7 kWp
10 kWp
modernisierter Altbau
20
60%
Haushaltsstrombedarf: 4000 kWh
Wärmepumpe mit max. 50% Modulation
Wärmepumpe
4 kWp
7 kWp
10 kWp
Effizienzhaus 40
Autarkiegrad
70%
Autarkiegrade der PV-Speichersysteme
70%
Autarkiegrad
60%
Autarkiegrad ohne
Wärmepumpe
Autarkiegrad mit
Wärmepumpe
und
50%
50%
40%
40%
30%
30%
20%
20%
10%
10%
0%
0%
4 kWp
7 kWp
10 kWp
modernisierter Altbau
21
60%
Haushaltsstrombedarf: 4000 kWh
Wärmepumpe mit max. 50% Modulation
Nutzbare Batteriekapazität: 6 kWh
Wärmepumpe
4 kWp
7 kWp
10 kWp
Effizienzhaus 40
Autarkiegrad
70%
Schlussfolgerungen
• Für eine wirtschaftlich optimale Nutzung von PV-Strom in
Eigenversorgungssystemen spielt das spezifische Lastprofil
einer Wärmepumpe eine entscheidende Rolle.
• Die Einstellung einer Nachtabsenkung und die Nutzung der
SG-Ready Schnittstelle ermöglichen in einem
Einfamilienhaus einen Vorteil von 50 bis 200 €/a.
• Mit einem 7-kWp-PV-System können Autarkiegrade für
Strom und Wärme zwischen 30 und 40% erreicht werden.
• Unter Berücksichtigung von Batteriespeichern kann die
Selbstversorgung auf 45 bis 60% erhöht werden.
• Die Nutzung von PV-Systemen mit Wärmepumpen und
Batteriespeichern ist somit essentiell für eine Energiewende
im Strom- und Wärmesektor.
22
pvspeicher.htw-berlin.de
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