Stromlastgang von Plusenergieschulen

Die Erreichbarkeit des Plusenergiestandards wird anhand der Kubatur der Fach- und Berufsschule (FOS/BOS) Erding (siehe auch: tab 3/2012) unter Variation von Dämmstandard, Anlagentechnik, Standort- und Nutzungsvoraussetzungen untersucht. Für den definierten Plusenergiestandard wird der theoretische Energiebedarf für Heizung, Lüftung, Warmwasserbereitung und Beleuchtung nach DIN V 18599 berechnet, der Nutzerstrombedarf und die potentielle PV-Stromerzeugung auf belegbaren Flächen ermittelt. Die für die anschließende Lastganganalyse relevanten Varianten und Strombedarfsergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Der „Sonstige Strombedarf“ enthält hierbei den Nutzer-, Beleuchtungs- und Hilfsstrombedarf. Bei den Varianten mit natürlicher Lüftung werden nur innenliegende Räume und die Küche belüftet. Die Nettogrundfläche der FOS/BOS Erding beträgt 7640 m².

Lastganganalyse

Obwohl in der Jahresbilanz von Plusenergieschulen mehr Strom erzeugt als verbraucht wird, kann sich eine Plusenergieschule nicht selbst mit Strom versorgen. Da der Zeitpunkt der Photovoltaik-Stromerzeugung oft nicht mit dem Strombedarf übereinstimmt, muss Strom in das öffentliche Netz eingespeist bzw. aus dem Netz bezogen werden. PV-Anlagen von Schulen sind in der Regel an ein Niederspannungsnetz angeschlossen. Eine dezentrale Einspeisung ist für das Niederspannungsnetz nur problematisch, wenn zu wenig Last-Abnehmer oder eine hohe PV-Anlagendichte vorliegen. Jedoch muss durch die Regelung des Kraftwerksparks auf die Stromeinspeisung aller PV-Stromeinspeiser reagiert und die Netzstabilität auf Hochspannungsebene gewährleistet werden.

Mit dem Hintergrund der Entlastung von Stromnetzen und der Wirtschaftlichkeit von Schul-PV-Anlagen muss der Anspruch sein, einen möglichst hohen Eigennutzungsanteil des erzeugten Stroms zu erreichen. Für die Ermittlung des Eigennutzungsanteils ist eine Jahres- oder Monatsbilanz nicht ausreichend, da diese nicht den Zeitpunkt des Verbrauchs bzw. der Stromerzeugung berücksichtigt. Es muss eine Lastganganalyse des Verbrauchs und der Erzeugung in hoher zeitlicher Auflösung durchgeführt werden, um Aussagen zum Eigennutzungsanteil ableiten zu können.

Eine Literaturrecherche zum Eigennutzungsanteil von PV-Anlagen zeigte, dass sich Untersuchungen zu Eigennutzungsanteilen bislang auf Analysen von Einfamilienhäusern beschränken. Bei diesen ergaben sich beispielsweise bei einem Strombedarf und einer Stromerzeugung von je 4500 kWh Eigennutzungsanteile zwischen 22 und 30 %. Zum Eigennutzungsanteil von Schulen liegen jedoch keine Analysen vor. An einer konkreten Lastganganalyse sollen daher erste Einschätzungen zu dieser Thematik erarbeitet werden.

Vorgehensweise bei der Erstellung der Stromverbrauchslastgänge

Um diese Analyse zu ermöglichen, wurde vom ZAE Bayern der Stromverbrauchslastgang, die Fernwärmeabnahme und die Volumenströme der Lüftungsanlagen der FOS/BOS Erding für das Jahr 2013 in minütlicher Auflösung zur Verfügung gestellt [2]. Der Stromverbrauchslast-gang der FOS/BOS Erding ist ein typischer Stromlastgang einer Schule mit Fernwärmeversor-gung, mechanischer Lüftungsanlage und dezentral elektrischer Warmwasserbereitung.

Da Variationsrechnungen hinsichtlich des Einflusses der Art der Wärmeerzeugung und des Lüftungskonzepts durchgeführt werden sollen, werden ein Basislastgang ohne Lüftungsanlage, ein Lastgang der Lüftungsanlage und ein Lastgang für den Wärme­pumpenstrom synthetisiert. Auf diese Weise stehen drei (Teil-)Lastgänge zur Verfügung, aus deren Summe sich der Lastgang verschiedener Varianten bilden lässt:

Stromlastgang allgemein („sonstiger Strom“)

Lüftungs-Stromlastgang

Wärmepumpen-Stromlastgang

Es wird jedoch nicht mit den tatsächlichen Verbrauchswerten der FOS/BOS Erding gerechnet, sondern so skaliert, dass die Jahressummen mit den Bedarfsberechnungen der Machbarkeitsuntersuchung (vgl. Varianten und Ergebnisse in Tabelle 1) für den Plusenergiestandard übereinstimmt.

Um einen Eindruck der so synthetisierten Lastgänge zu gewinnen, werden für die Variante V0 der monatsweise Strombedarf (Bild 1) sowie der Lastgang einer Sommerwoche (Bild 2) und einer Winterwoche (Bild 3) dargestellt. Hierbei ist zu beachten, dass bei der Monatsauswertung die Flächen aufeinander gestapelt sind, bei den Lastgängen jedoch hintereinander liegen.

Vorgehensweise bei der Erstellung der PV-Strom­erzeugungsprofile

Im Gegensatz zum Stromverbrauchslastgang muss das PV-Stromerzeugungsprofil auf Basis von Wetterdaten und der technischen Daten eines typischen PV-Moduls (Tabelle 2) erzeugt werden, da auf dem tatsächlichen Gebäude keine PV-Anlage ist.

Für die Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der PV-Module wird in jedem Zeitschritt ein variabler Leistungsfaktor ermittelt und die Modultemperatur abhängig von der Außentemperatur und der Einstrahlung berechnet. Für die mit 10° aufgestellten Module wird zusätzlich mit einem pauschalen Zuschlag von 5 K berücksichtigt, dass diese nur mäßig hinterlüftet sind. Aus der Summe alle Verluste und dem Temperatur-Leistungsfaktor wird der dynamische Systemleistungsfaktor ermittelt.

Die zugrunde gelegte Sonnen­einstrahlung basiert auf einer Globalstrahlungsmessung in 10-Minutenauflösung von Eichenried [3], das ca. 10 km von Erding entfernt liegt. Aus dieser wurde ein theoretisches PV-Erzeugungs­profil für unterschiedliche Ausrichtungen errechnet, indem für jeden Zeitschritt das Produkt aus der auf diese geneigte Fläche eintreffenden Solarstrahlung, der Modul-Nennleistung und dem System­leistungsfaktor gebildet wird.

Dieses Erzeugungsprofil wird jeweils so skaliert, dass die Höhe des Jahres-PV-Ertrags gleich dem Bedarf der zu untersuchenden Variante der Machbarkeits­unter­suchung ist.

Ergebnisse

In Voruntersuchungen wurde festgestellt, dass die Auswirkung auf den Eigennutzungsanteil einer Lastganganalyse bei 1-minütiger im Vergleich zu 10-minütiger Auflösung und die Variation der PV-Ausrichtung (30° Süd im Vergleich zu 10° Ost/West) gering ist (< ein Prozent­punkt). Aus diesem Grund wird die Lastganganalyse in 10-minütiger Auflösung und nur für eine PV-Anlage mit 10° Neigung in Ost-West-Orientierung durch­geführt, welche wegen der größeren möglichen Modulfläche für das Erreichen des Plusenergiestandards notwendig ist.

Die Bilder 4 und 5 zeigen die Ergebnisse der Lastganganalyse der Variante V0 für eine Winter- und eine Sommerwoche. Dargestellt ist der Strombedarf, die PV-Erzeugung sowie negativ der ins öffentliche Stromnetz eingespeiste PV-Strom.

In der gezeigten Winterwoche kann der erzeugte PV-Strom komplett selbst genutzt werden. Es wird nichts ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Im Sommer ist der Strombedarf durch den Wegfall des Wärmepumpenstrombedarfs deutlich geringer. Andererseits ist der Stromertrag um ein Vielfaches höher, so dass der Großteil des erzeugten Stromes ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden muss.

Bild 6 zeigt eine monatsweise Auswertung der Lastganganalyse für die Variante V0. Der erzeugte Strom ist aufgesplittet in selbstnutzbaren und einzuspeisenden Strom dargestellt. Für jeden Monat wird auch der sich ergebende Eigennutzungsanteil errechnet (s. Sekundärachse).

Im Jahresdurchschnitt ergibt sich ein Eigennutzungsanteil von 37 %. Trotz des geringen PV-Stromertrags im Januar und im Dezember kann aufgrund des geringen Strombedarfs in den Weihnachtsferien nicht alles selbst genutzt werden. Der Eigennutzungsanteil liegt im Januar mit rund 90 % am höchsten. Im August sinkt der Eigennutzungsanteil auf nur 9 %, da im August 2013 aufgrund der Sommerferien nur geringer Strombedarf besteht.

Im Gegensatz hierzu würde sich bei einer Auswertung über Monatsbilanzen ein Jahres-Eigennutzungsanteil von 62 % ergeben. Daran wird ersichtlich, dass eine hohe zeitliche Auflösung erforderlich ist, um realistische Aussagen zum Eigen­nutzungsanteil treffen zu können.

In Tabelle 3 sind die sich ergebenden Eigennutzungsanteile für die untersuchten Varianten angegeben.

Den niedrigsten Eigennutzungsanteil weist die Variante V1 auf. Hintergrund ist, dass der hohe Strombedarf der Wärmepumpe im Winter nicht durch die PV-Anlage gedeckt werden kann. Durch die natürliche Lüftung fällt auch der im Jahresverlauf gleichmäßig verteilte Lüfterstrom weg, der in hoher zeitlicher Korrelation mit der PV-Erzeugung liegt.

Bei der Versorgungsvariante mit Fernwärme spielt die Belüftung eine untergeordnete Rolle, da dieser einen ähnlichen Lastgang wie der Nutzerstrom aufweist.

In einer weiteren Analyse soll der Eigennutzungsanteil dieser Varianten in Abhängigkeit des Verhältnisses aus Stromertrag zu Strombedarf untersucht werden (Bild 7). Für die in dieser Lastganganalyse untersuchten Varianten strombetriebene Wärmepumpe und Fernwärme (f_P = 0) muss dieses Verhältnis für das Ziel Plusenergieschule größergleich 1 sein. Bei einer Plusenergieschule mit Pelletheizung müsste auch noch die Primärenergie der Pellets abgedeckt werden und daher das Verhältnis aus Stromertrag zu -bedarf deutlich größer 1 sein.

Wie zu erwarten ist, hängt der Eigennutzungsanteil stark vom Verhältnis aus Erzeugung zu Bedarf ab. Je höher dieses Ver­hältnis ist, desto niedriger wird der Eigennutzungsanteil. Bei der Variante V0 und einem Ver­hältnis aus Erzeugung zu Be­darf von 0,5 liegt der Eigennut­zungsanteil bei 53 %, bei 1,25 bei 32 %.

Nachfolgend sollen ferner die Auswirkungen eines möglichen Lastmanagements durch Strom- und Wärmespeicher auf den Eigennutzungsanteil untersucht werden.

Stromspeicher

Für Plusenergieschulen könnte die Stromzwischenspeicherung von nicht selbst nutzbarem PV-Strom in Batterien während des Tages interessant sein, um mit dem gespeicherten Solarstrom den Nachtstrombezug zu decken.

Die Lastganganalyse mit Strom­speicher erfolgt unter fol­gen­den Randbedingungen:

Die Auslegung des Stromspeichers erfolgt basierend auf dem Stromverbrauch während einer Sommernacht auf eine nutzbare Speicherkapazität von 100 kWh.

Der Speicher-Wirkungsgrad der Batterie wird mit 90 %, der Gleichrichter- und der Wechselrichter-Wirkungsgrad mit je 95 % angesetzt. Diese Verluste werden als Strombedarf gezählt, so dass der Strombedarf insgesamt ansteigt.

Die Batterie wird geladen, wenn die PV-Anlage Strom liefert, Strom ins Netz eingespeist werden müsste und der Stromspeicher noch nicht voll ist.

Bild 8 zeigt die Auswirkung des Stromspeichers auf den Eigennutzungsanteil für die Variante V0.

Durch den Einsatz einer Batterie von 100 kWh zur Stromzwischenspeicherung lässt sich der Eigennutzungsanteil deutlich erhöhen. Bei einem Verhältnis von Erzeugung zu Bedarf von 1 erhöht sich der Eigennutzungsanteil um zwölf Prozentpunkte.

Gebäude als

Wärme­speicher

Mit der Untersuchung von Wärmespeichern soll eingeschätzt werden, wie sich die Speicherfähigkeit des Gebäudes auf den Eigennutzungsanteil (Bild 9) auswirkt, wenn die Wärmepumpe im Sinne eines Lastmanagements gesteuert wird. Die abschätzende Lastganganalyse erfolgt unter folgenden Randbedingungen:

Unter der Annahme, dass das Gebäude bis zu einem oberen Grenzwert von 24 °C zur Wärmespeicherung beheizt werden kann, ergibt sich nach [4] eine Wärmespeicherfähigkeit von rund 60 Wh/m² für ein Gebäude mit hohem Dämmstandard. Überträgt man diesen Wert auf die FOS/BOS Erding ergeben sich 458 kWh als Wärmespeicher.

Die Wärmespeicherung wird nur während der Heizperiode genutzt, wenn die PV-Anlage Strom liefert, die Wärmepumpe noch Kapazität hat und der Wärmespeicher noch nicht voll ist.

Die mit der Aufheizung des Gebäudes zum Lastmanagement einhergehenden Auswirkungen auf den Komfort und ansteigende Wärmeverluste werden in dieser Untersuchung nicht einbezogen.

Da der Wärmespeicher nur während der Heizperiode genutzt werden kann, fällt der Effekt im Vergleich zum Stromspeicher geringer aus. Der Eigennutzungsanteil könnte durch Lastmanagement und Nutzung des Gebäudes zur Wärmespeicherung im Mittel um drei Prozentpunkte gesteigert werden. Ob an einer Schule Raumtemperaturen bis zu 24 °C die Behaglichkeit zu sehr einschränken würden oder wie das Ablüften der gespeicherten Wärme verhindert werden kann, wird hier nicht weiter bewertet.

In einem nächsten Schritt sollen auch noch die Auswirkungen auf das öffentliche Netz einer Plusenergieschule verglichen mit derselben Schule ohne PV-Anlage untersucht werden. Eine Auswertung der Lastganganalyse als „Dauerlinie“ ist in Bild 10 dargestellt.

Angemerkt sei, dass die Dauerlinien wegen einiger Datenausfälle beim Monitoring nicht den vollen Zeitraum eines Jahres von 8760 h umfassen. Auf die Ergebnisse hat dies jedoch keinen Einfluss.

Ohne PV-Anlage zeigt die Dauerlinie einen maximalen Strombezug von 162 kW. Mit PV-Anlage zur Umsetzung des Plusenergiestandards liegt die Lastspitze bei 154 kW. Dies ist nur ein sehr geringer Unterschied, der dadurch zu erklären ist, dass manche Lastspitzen zu Zeiten geringer PV-Produktion (z. B. durch Bewölkung) sind.

Daraus lässt sich ableiten, dass der Netzbetreiber durch die PV-Anlage trotz des hohen Eigennutzungsanteils von 37 % kaum Vorteile bei den Lastspitzen hat und die gleiche Leistung vorhalten muss, wie bei einer Schule ohne PV-Anlage. Hingegen gibt es Spitzen bei der PV-Einspeisung von bis zu 210 kW (entsprechend 77 % der PV-Anlagenleistung), die gegebenenfalls das öffentliche Netz „belasten“.

Die Auswirkungen des Stromspeichers (vgl. Erläuterungen in Bild 8) auf die Dauerlinie ist in Bild 11 dargestellt. Es wird ersichtlich, dass durch den Stromspeicher in einem weiten Zeitfenster weder Strom bezogen noch eingespeist wird. Auf die Lastspitzen hat der Stromspeicher jedoch keine Auswirkungen. Grundsätzlich bestünde durch „intelligentes“ Lastmanagement die Möglichkeit, mit einem Stromspeicher auch die Spitzen zu reduzieren.

Fazit

Die durchgeführte Lastganganalyse für eine Plusenergieschule auf Basis eines gemessenen Jahres-Strom- und Wärmelastgangs und eines synthetisierten PV-Erzeugungsprofils unter Variation der Anlagentechnik zeigt, dass der Eigennutzungsanteil mit 32 bis 41 % durch die hohe zeitliche Korrelation von Strombedarf und PV-Stromerzeugung über dem von Einfamilienhäusern liegt. Die Höhe des Eigennutzungsanteils von Plusenergieschulen hängt hierbei auch vom Versorgungskonzept ab.

Der Eigennutzungsanteil der Wärmepumpen-Variante mit natürlicher Lüftung ist um acht Prozentpunkte unter dem der natürlich belüfteten Fernwärme-Variante mit 40 %. Dies liegt daran, dass der hohe Strombezug bei der Wärmepumpen-Variante im Winter zu Zeiten geringer Solarstromausbeute liegt.

Bei der Wärmepumpen-Variante mit mechanischer Lüftung wird dieser Effekt durch den im Jahresverlauf gleichmäßig verteilten Lüfterstrom abgeschwächt. Hier liegt der Eigennutzungsanteil der Wärmepumpen-Variante nur vier Prozentpunkte unter dem der entsprechenden Fernwärme-Variante.

Allein einen hohen Eigennut­zungsanteil anzustreben, ist für die Netzfreundlichkeit einer Plusenergieschule nicht die entscheidende Größe.

Die durchgeführte Lastganganalyse zeigt, dass ein hoher jährlicher Eigennutzungsanteil nur einen vernachlässigbar geringen Einfluss auf die Bezugs- und Einspeisespitzen hat. Bei vermehrtem Bau von PV-Anlagen auf Plusenergiegebäuden sind Strategien zur Reduktion von Einspeisespitzen zu entwickeln, um negativen Auswirkungen auf Stromnetze und Kraftwerkspark entgegenzuwirken. Dies könnte über ein „intelligentes“ Lastmanagement in Verbindung mit einem Stromspeicher gelingen.

Literatur

[1] Jacobsen, C., Hutter, C., et al.: Untersuchung der Maßnahmenkombinationen mit denen unter verschiedenen Standort- und Nutzungsvoraussetzungen eine Plusenergieschule realisiert werden kann. Abschlussbericht, Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2941, Ingenieurbüro Hausladen GmbH, Kirchheim bei München 2015, Fraunhofer IRB Verlag ISBN 978-3-8167-9439-4 [2] Monitoringdaten der FOS/BOS Erding, zur Verfügung gestellt vom Bayerischen Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. 2014 [3] Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, Globalstrahlungs- und Lufttemperaturmessung 2013 in 10-Minutenwerten für die Messstation Eichenried [4] Schneegans, J., Klimke, K., Riemer, H.: Lastverhalten von Gebäuden unter Berücksichtigung unterschiedlicher Bauweisen und technischer Systeme, TU München, Juni 2014 [5] Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE): Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland, zusammengestellt von Dr. Harry Wirth, Fassung vom 7.1.2015, www.pv-fakten.de