Bachelorarbeit Patrick Zühlke

 

Literatur gestützte Untersuchung zum dynamischen thermischen Komfortempfinden in Wohngebäuden

Aufgrund nationaler und internationaler klimapolitischer Beschlüsse wird das Stromversorgungssystem in den kommenden Jahrzehnten einem strukturellen Wandel unterliegen. Die Überführung der Energieproduktion von überwiegend nicht-erneuerbaren hin zu regenerativen fluktuierenden Energiequellen stellt das elektrische Verteilernetz vor große Herausforderungen. Neben den technischen Anforderungen des Ausbaus der erneuerbaren Energien werden insbesondere intelligente Lösungen zur Energiespeicherung gefunden werden müssen. Der Bedarf an Speichertechnologie liegt darin begründet, dass ein hoher Anteil der erneuerbaren Energien nicht beliebiger Steuerung unterliegt. Ein Großteil des Primärenergiebedarfs in Industriestaaten wird durch Heizung, Lüftung und Klimatechnik von Wohngebäuden, Bürogebäuden und Gewerbeflächen eingesetzt. Daher ist unter anderem die Untersuchung der thermischen Speichermöglichkeiten für Wohngebäude Gegenstand aktueller Forschung. Um die thermische Speicherfähigkeit von Wohngebäuden effizient nutzen zu können, ist es notwendig, die Innenraumtemperaturen dynamisch an das vorliegende Energieangebot anpassen zu können. Insbesondere ist die elektrische Energieversorgung aus regenerativen Energien volatil, daher eignen sich elektrische Heizsysteme zur dynamischen Anpassung der Innenraumtemperaturen. So kann das Stromnetz in Hochlastzeiten durch gezielte Erwärmung des Wohnraums in Zeiten starker regenerativer Stromerzeugung entlastet werden. Im Rahmen dieser Arbeit soll basierend auf einer Literaturrecherche das dynamische thermische Komfortempfinden in Wohngebäuden untersucht werden. Weitere nicht-industrielle Gebäude finden aufgrund der vergleichbaren Sachlage und der großen Bandbreite des verfügbaren Datenmaterials ebenfalls Erwähnung. Dabei zeigt sich, dass stationäre Komfortmodelle ein gutes Vorhersageinstrumentarium für Gebäude mit raumlufttechnischen Anlagen und geringem Nutzereinfluss sind. Gebäude mit hohem Nutzereinfluss führen zu einer verstärkten Adaption der präferierten Innenraumtemperaturen an das Außenklima und zu einer Ausweitung der Komfortbereiche. Das thermische Komfortempfinden unterliegt zudem natürlichen Schwankungen im Tagesverlauf, so dass die Warm- und Kaltschwelle in den frühen Morgenstunden 0,5 bis 1,0 K niedriger liegt als am Nachmittag. Im Zuge von Temperaturübergängen führen „down-steps“ zu einer spontanen überproportionalen Bewertung der thermischen Empfindung die mit dem Faktor „2“ quantifiziert werden kann. Diese Überbewertung der thermischen Empfindung dissipert nach rund 30 Minuten.
Das thermische Empfinden bei „step-ups“ entspricht der Bewertung unter stationären Umgebungsbedingungen, die Adaptionsgeschwindigkeit beträgt hier 1 bis 2 Minuten. Weiterhin zeigen moderate Temperaturschwankungen von etwa 2 K/h im Bereich der Komforttemperaturen keinen zusätzlichen Einfluss auf den thermischen Komfort. Stärkere Temperaturgefälle führen zu einer Überbewertung des thermischen Empfindens, während es bei stärkeren Temperaturdrifts zu einer verzögerten Wahrnehmung des Temperaturempfindens kommt. Generell kann durch individuellen Nutzereinfluss der Komfortbereich der operativen Raumtemperatur ausgeweitet werden.

 

Untersuchung der Eignung und Wirtschaftlichkeit diverser Speichertechnologien zur dynamischen Aufnahme fluktuierender Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien

Durch den steigenden Anteil erneuerbarer Energien in unserem Stromnetz, die durch eine hohe
Fluktuation gekennzeichnet ist, wird es in Zukunft immer schwieriger werden Stromproduktion
und –verbrauch anzupassen.Deshalbwurden in der Vergangenheit viele unterschiedliche Lösungsansätze
vorgeschlagen, so auch der Ausbau von Stromspeichern und konventionellen Spitzenlastkraftwerken.
Die vorliegende Bachelorarbeit diskutiert diese Ansätze durch die Bildung von mehreren
Szenarien, in denen die Speicherkosten von verschiedenen Speichertechnologien miteinander
und mit den Stromerzeugungskosten konventioneller Gasturbinenkraftwerken verglichen werden.
Zu den untersuchten Technologien in dieser Analyse gehören zentrale und dezentrale Speicher, die
entweder bereits etabliert sind oder kurz vor der Markteinführung stehen. Dabei werden die zugehörigen
Baukosten für den Stand heute sowie für das Jahr 2020 angegeben. Pumpspeicherkraftwerkewaren
bislang einige derwenigen Speicher, die in unserem System Anwendung fanden.Dennoch
werden derzeit viele weitere Technologien entwickelt, die versuchen sollen das Ungleichgewicht
von erneuerbar erzeugtem Strom und der herrschenden Stromnachfrage zu überbrücken. Diese Arbeit
vergleicht deshalb verschiedene Großbatterien, Druckluftspeicher und die Power-to-Gas Technologie
mit Kleinspeichern, wie Lithium-Ionen bzw. Blei-Säure-Batterien und ein typischer Wärmespeicher,
auf ihre Eignung, den Wärmebedarf eines Einfamilienhauses zu decken. Die Marktumgebungen
werden von den Szenarien bestimmt und beinhalten sowohl dynamisch angepasste
Energiebeschaffungskosten, wie auch eine unterschiedliche Zusammenstellung an Steuern und
Umlagen. Innerhalb dieser Rahmenbedingungen werden die technischen Speicherkosten ohne Berücksichtigung
des Strompreises, die Speicherkosten unter Einbeziehung der Energieverluste und
die Kosten für den Letztverbraucher mit Hilfe der Annuitätenmethode errechnet. Somit kann eine
Beurteilung über die Wirtschaftlichkeit der untersuchten Speichersysteme sowie das Potential
neuentwickelter Technologien, mit etablierten Speichern ökonomisch zu konkurrieren, abgegeben
werden.