Passipedia DE

Diese Seite ist nicht editierbar. Sie können den Quelltext sehen, jedoch nicht verändern. Kontaktieren Sie den Administrator, wenn Sie glauben, dass hier ein Fehler vorliegt.
====== Nachhaltigkeitsbewertung mit PER ======

Welcher Indikator eignet sich verlässlich als Bewertungsgrundlage für die energetische Nachhaltigkeit eines Gebäudes? Im Abschlussbeitrag der Internationalen Passivhaustagung 2014 wurden als zukunftsweisender Bewertungsmaßstab für Nachhaltigkeit die sogenannten PER-Faktoren (Primärenergie Erneuerbar / **P**rimary **E**nergy **R**enewable) vorgestellt [Feist 2014]. Mit der Version 9 des Planungstools PHPP werden diese PER-Faktoren weltweit als Zertifizierungsgrundlage für Passivhäuser eingeführt. In diesem Beitrag wird die zugrunde liegende Methodik beleuchtet, mit der die PER-Faktoren für das PHPP ermittelt wurden. 

==== Methodik zur Ermittlung der PER-Faktoren ====

Die angewandte Methodik wurde auf Basis der in [Feist 2013] und [Feist 2014] veröffentlichten Ideen weiter entwickelt, weltweit angewandt und ausgewertet. Mit einer stündlichen Zeitauflösung wird für Lastprofile des Energiebedarfs die Deckung über ein zukünftiges Versorgungsszenario basierend auf ausschließlich erneuerbaren Energiequellen (EE), inklusive Energiespeichern und Verlusten, simuliert (Abbildung 1). Die individuellen Berechnungen basieren auf lokalen Klimadaten aus verschiedensten Quellen, die resultierenden PER-Faktoren sagen aus, um welchen Faktor die erneuerbar erzeugte Energie im statistischen Mittel größer sein muss, als die im Gebäude verbrauchte Endenergie.

{{:picopen:per_formel.jpg?400|}}

Für den PER-Faktor ist die Gleichzeitigkeit der verfügbaren Energieressourcen und des Energieverbrauchs ausschlaggebend, denn daraus bestimmt sich, wie viel Energie (kurzzeitig oder langfristig) zwischengespeichert werden muss. Kurzzeitige Speicherung ist mit relativ geringen Verlusten verbunden, während die saisonale Speicherung mit höheren Verlusten einhergeht. Je nach Verbrauchsprofil ergibt sich eine spezifische Mischung aus (A) Direktverbrauch, (B) Verbrauch aus dem Kurzzeitspeicher und (C) aus dem saisonalen Speicher. Als logische Konsequenz ist die Energienutzung für Heizen - naturgemäß in der energiearmen Jahreszeit - besonders aufwendig, während z.B. bei der Gebäudekühlung der Anteil direkt nutzbarer Energie, mit nur geringen Verlusten, größer ist. Ganzjährige Verbraucher, so wie z.B. Warmwasser und Haushaltsstrom, liegen zwischen den Extremen. 

[{{:picopen:per_faktoren_infografik_de.jpg?600|Abbildung 1: Flussschema der Energieströme von der Erzeugung erneuerbarer Energie bis zur Versorgung am Gebäude inklusive der Verluste für Kurzzeit- und Saisonal-Speicherung. }}]

===== Lastprofile – Erzeugung und Verbrauch =====

==== Erneuerbare Stromerzeugung ====

Das modellierte zukünftige Energieversorgungsszenario basiert nur auf Strom aus EE-Erzeugung. Dabei kommen drei Primärerzeuger zum Zuge: Photovoltaik sowie Wind- und Wasserkraft. Biomasse spielt als einfach speicherfähige Energieform eine Sonderrolle und alle Koppelsysteme, die auf der Basis von Sekundärenergie arbeiten (wie z.B. Fernwärme), können auf dieser Basis mit den jeweiligen individuellen Randbedingungen im PHPP einbezogen werden. 

Die stündliche Stromerzeugung aus Solarenergie wird über die Modellierung einer zum Äquator orientierten Photovoltaikanlage berechnet. Der Ertrag ergibt sich unter Berücksichtigung eines temperaturabhängigen Wirkungsgrades sowie der Diffus- und Direktstrahlung des lokalen Klimadatensatzes. Die Neigung des Moduls wird standortabhängig entsprechend des jeweils maximalen Jahresertrags bestimmt.

Die stündliche Stromerzeugung aus Windenergie wird aus einem geglätteten Profil der stundenmittleren Windgeschwindigkeit des jeweils gleichen lokalen Klimadatensatzes ermittelt. Somit werden die klimatischen Zusammenhänge zwischen Wind und Sonne bzw. Temperatur berücksichtigt. Da diese lokalen Winddaten jedoch nicht unbedingt repräsentativ für das in der Umgebung vorhandene Potential zur Windenergienutzung sind, werden die Windgeschwindigkeiten an den langjährigen Jahresmittelwert der Region [SSE] angepasst und auf eine Nabenhöhe von 150 m umgerechnet. 

Die erbrachte Leistung der Windkraftanlage ergibt sich aus ihrer Leistungskurve; hierbei wird zwischen Windstarken und -schwachen Regionen unterschieden, mit einer spezifischen Leistung von 380 W/m² bzw. 200 W/m² (in Anlehnung an [Mono et.al. 2014]). Bei mittlerer Windgeschwindigkeit auf Nabenhöhe unter 4 m/s wird die Stromerzeugung durch Windenergie in der PER-Berechnung auf 0,5 % der Gesamterzeugung beschränkt, da in diesen Regionen ein substantieller Ausbau unwirtschaftlich erscheint. Offshore-Windkraft ist im aktuellen Modell noch nicht berücksichtigt. In dieser Hinsicht liegen die Berechnungen tendenziell auf der sicheren Seite. 

Die Stromerzeugung aus Wasserkraft wird in den Berechnungen über den prognostizierten zukünftigen Stromdeckungsanteil für das jeweilige Land angesetzt. Das Potential zur Wasserkraftstromerzeugung wird nach [intpow 2009] angesetzt. Für den zukünftigen Strombedarf wird als Zielwert das Modell der "2000-Watt-Gesellschaft" herangezogen, unter Berücksichtigung aktueller spezifischer Stromverbräuche je nach Land, sowie prognostizierter Entwicklungen der länderspezifischen Bevölkerungsdichte. Innerhalb Europas wird zudem angenommen, dass Länder mit überschüssiger Wasserkraft diesen Strom anteilig in umliegende Länder exportieren. Für die zeitliche Verteilung der Stromerzeugung wird ein vereinfachtes Jahresprofil angesetzt, welches Einflüsse durch Regen (pluvial), Schnee (nival) und Gletscher (glazial) enthält.

==== Gebäudelastprofile ====

Auf Abnehmerseite, dem Endenergiebedarf des Gebäudes, wird zwischen fünf verschiedenen Verbrauchern unterschieden: Haushaltsstrom, Warmwasser, Heizung, Kühlung und Entfeuchtung. Beispiele für die verschiedenen Profile sind in Abbildung 2 aufgezeigt. Das Lastprofil für den Haushaltsstrom (20 kWh/(m²a)) wurde angelehnt an das Haushalts-Standardlastprofil H0 des BDEW (Bundesverband der Energie und Wasserwirtschaft e.V.) angesetzt. Für das Warmwasser (15 kWh/(m²a) Nutzenergie) wird eine Wasserabnahme nach [Recknagel 2009] verwendet. Jahreszeitliche Schwankungen des Energiebedarfs werden mittels variierender Kaltwassertemperatur berücksichtigt, die aus den Klimadaten ermittelt wird (Bodentemperatur). 

Die restlichen Verbraucher – Heizung, Kühlung und Entfeuchtung – werden mittels stündlicher Gebäudesimulation für ein Referenzgebäude ermittelt. Es werden jeweils mehrere Fälle berechnet, um den Einfluss variierender Heiz- bzw. Kühlperioden berücksichtigen zu können: Ein typisches Passivhaus sowie ein bis zu achtfacher Mehrverbrauch der jeweiligen Anwendung. Für die Umrechnung von Nutz- auf Endenergiebedarf wird von einer Versorgung mittels Wärmepumpe ausgegangen. Der entsprechende Strombedarf wird stündlich mit einem vereinfachten Wärmepumpenmodell berechnet. Zuletzt werden alle Lastprofile mit einer Normalverteilung über ±4 Stunden geglättet, um Schwankungen - z.B. bedingt durch unterschiedliches Nutzerverhalten - zu berücksichtigen. 

[{{:picopen:per_2.jpg?600|Abbildung 2: Oben links: Das Wochenprofil für den Haushaltsstrom und Warmwasser (im Beispiel, Kaltwassertemperaturen Mannheim, Winter). Oben rechts und unten: Beispielhafte Nutzenergie-Lastprofile aus verschiedenen Klimata für Heizung, sensible Kühlung, sowie Entfeuchtung. }}]

===== Ermittlung standortspezifischer PER-Faktoren =====

Für die Berechnung der PER-Faktoren werden die beschriebenen Stromprofile der EE-Erzeugung und Lastabnahme, jeweils normiert auf 100 kWh/a, auf stündlicher Basis gegenübergestellt. Bis zur Übereinstimmung der aktuellen Werte wird ein Direktverbrauch angenommen, bei überschüssiger Energieerzeugung wird diese in die Speicher eingespeist und bei Untererzeugung der Restbedarf wieder aus den Speichern entnommen. Dabei wird jeweils zuerst der Kurzzeitspeicher bis zur Verfügung stehenden Kapazität gefüllt bzw. entleert und erst in zweiter Linie der saisonale Langzeitspeicher. Ein beispielhafter Verlauf ist in Abbildung 3 gezeigt.

Die Kapazität des Kurzzeitspeichers im Netzverbund (z.B. Pumpspeicherwerke, andere mechanische Speicher und/oder Akkumulatoren) wird zu 0,1 kWh pro 100 kWh/a Strombedarf mit einem Gesamtwirkungsgrad von 70 % angesetzt. Im Falle des Warmwassers wird eine zusätzliche Kapazität entsprechend eines Warmwasserspeichers angesetzt (20 kWh thermisch, η = 95 %). Für Heizung und Kühlung wird jeweils eine thermische Masse des Gebäudes angerechnet (22 kWh thermisch, η = 90 %). Diese zusätzlichen Kapazitäten werden mit dem Mehrverbrauch nicht skaliert, d.h. einem Gebäude mit höherem Verbrauch steht, relativ zum Verbrauch gesehen, ein kleinerer Puffer zur Verfügung. 

Die Kapazität des saisonalen Speichers wird im jeweiligen Modelllauf ermittelt, und zwar exakt zu der Kapazität, bei der die Jahresbilanz aufgeht (Erzeugung = Bedarf + Verluste). Ein mögliches funktionsfähiges saisonales Speichersystem ist die Umwandlung des EE-Stroms in Methan: Hierfür wird ein Umwandlungswirkungsgrad von 57 % angesetzt, für die Rückverstromung im GuD-Kraftwerk ein Wirkungsgrad von 50 %. Der Gesamt-Wirkungsgrad der Langzeitspeicherung ergibt sich daraus in typischen Klimaten zu ca. 30 %. Zudem werden 5 % Übertragungsverluste im Stromnetz beaufschlagt.

[{{:picopen:per_3_Farbe.jpg?700|Abbildung 3: Beispielhafter stündlicher Lastverlauf und EE-Erzeugung (kumulativ), sowie der berechnete zeitgleiche Speicherstand des Kurzzeitspeichers für ein Passivhaus in Stuttgart. Eine Woche im energiearmen Winter (links) und eine Woche mit deutlichem EE-Energieüberschuss im Sommer (rechts). }}] 

----


Das EE-Erzeugungsprofil wird durch die anteilige Zusammensetzung aus Solar- und Windenergie beeinflusst. Beide Extreme (keine Photovoltaik bzw. kein Wind) und vier Zwischenstadien werden modelliert, d.h. für jedes betrachtete Lastprofil ergeben sich sechs Berechnungen. Der PER-Faktor wird nach dem jeweils günstigsten Verhältnis aus Solar zu Wind bestimmt. 

Aufgrund der jeweiligen Wechselwirkungen können die unterschiedlichen Verbraucher nicht unabhängig voneinander betrachtet werden. Für die Ermittlung der PER-Faktoren wird daher der Zuwachs des betrachteten Lastprofils auf eine bestehende Grundlast schrittweise ausgewertet. Für den Zuwachs wird jeweils der 0- bis 8-fache Verbrauch herangezogen. Für die Heiz- und Kühlprofile werden die in der Simulation ermittelten Verläufe mit unterschiedlichen Heiz- und Kühlperioden angesetzt. Das Grundlastprofil setzt sich aus den restlichen Verbrauchern zusammen und spiegelt somit den zu erwartenden Jahresgang der Netzbelastung unter den gegebenen klimatischen Bedingungen wieder. 

Für jedes Profil wird nun von der PER-Rechenroutine die jeweils benötigte Primär-EE-Erzeugung zur Deckung des Gesamtendenergiebedarfs zuzüglich aller Verluste ermittelt. Der PER-Faktor für den Verbraucher ergibt sich nun aus der Steigung der EE-Erzeugung gegenüber dem Mehrverbrauch (siehe Beispiele in Abbildung 4). Zum Teil können sich so zunächst sogar PER-Faktoren unter 1 ergeben, insbesondere für die Kühlung, wenn der zusätzliche Energiebedarf die saisonalen Schwankungen ausgleicht und somit die Notwendigkeit zur Langzeitspeicherung reduziert.

[{{:picopen:per_4.jpg?600|Abbildung 4: Die PER-Faktoren entsprechen der benötigten zusätzlichen EE-Erzeugung pro kWh zusätzlichem Energiebedarf der betrachteten Anwendung. Dargestellt sind beispielhaft die Ergebnisse für Warmwasser, Heizung und Kühlung des Standorts Boise, USA. }}]

[{{:picopen:per_5.jpg?600|Abbildung 5: Bespielhafte PER-Faktoren ausgewählter Standorte verschiedener Klimazonen: arktisch, kühl-gemäßigt, warm und sehr heiß. }}]

----


Die Diagramme in Abbildung 5 zeigen Beispiele von PER-Faktoren für ausgewählte Standorte in verschiedenen Klimaten, die vergleichbar geringe Wasserkraftanteile aufweisen. Für Haushaltstrom und Warmwasser ist die weltweite Streuung vergleichbar gering, ein typischer Wert ist 1,3 – d.h. es muss ca. 30 % mehr erneuerbarer Primärstrom erzeugt werden als Elektrizität am Gebäude tatsächlich genutzt werden kann. Die Faktoren für Heizung, Kühlung und Entfeuchtung sind stärker von den klimatischen Gegebenheiten abhängig. 

Eine direkte Korrelation mit der Klimazone kann nicht abgeleitet werden, da sich die EE-Verfügbarkeit im Vergleich zum anfallenden Bedarf weltweit stark unterscheidet – solare Einstrahlung, Windgeschwindigkeiten und nicht zuletzt die Wasserkraft. Es zeichnet sich im Allgemeinen ab, dass in allen Klimaten mit Heizwärmebedarf dieser hinsichtlich der erneuerbaren Primärenergie stärker ins Gewicht fällt als die Kühlung. Standorte mit viel Wasserkraftpotential weisen in der Regel niedrigere PER-Faktoren auf, da diese EE-Quelle ganzjährig und vergleichbar konstant genutzt werden kann.

===== Regionalisierung / PER-Faktoren weltweit =====

Die mit der in diesem Beitrag beschriebenen Methodik berechneten PER-Faktoren treffen zunächst jeweils für den spezifischen Klimadatensatz zu. Berechnungen für ein und denselben Standort, aber Klimadaten aus unterschiedlichen Quellen, führen zu leicht abweichenden Ergebnissen. Zudem wäre eine solche Betrachtung rein lokal, d.h. die Einflüsse aus umliegender EE-Erzeugung würden nicht berücksichtigt. Stromerzeugung und Stromverbrauch sollten jedoch in der Praxis nicht streng lokal betrachtet werden sondern müssen immer einem regionalen Kontext gesehen werden. 

Die Vernetzung der Stromversorgung ist in vielerlei Hinsicht eine politische Frage: Die weltweiten zukünftigen Entwicklungen sind nur schwer abzusehen. Eine rein lokale Versorgung wäre zwar technisch prinzipiell leistbar, aber unnötig aufwendig – und daher zu pessimistisch angesetzt. Für die im PHPP anzusetzenden PER-Faktoren werden daher die Ergebnisse aus über 700 weltweit individuell berechneten Standorten mittels Fourier-Approximation über den Globus zusammengeführt. Zudem werden alle Werte für die Berechnung im PHPP mit mindestens 1 (Erzeugung = Bedarf) angesetzt. Abbildung 6 zeigt beispielhaft den Mittelwerte und die Streuung der PER-Faktoren für den Heizfall aller aktuell im PHPP hinterlegten Standorte.

[{{:picopen:per_6.jpg?600|PER-Faktoren für den Heizwärmebedarf der im PHPP hinterlegten Standorte – Mittelwert und Streuung. }}]

===== Zusammenfassung und Ausblick =====

Die Bestimmung der erneuerbaren Primärenergie ist ein neues Konzept, in das sich der PHPP-Nutzer und Passivhaus-Planer zunächst hineindenken muss. Im Kern ändert sich durch die Neukonzeption nichts am Passivhaus-Standard – die Effizienzanforderungen hinsichtlich der Nutzenergie bleiben exakt bestehen. Die neuen Faktoren sind lediglich ein effektiver Ansatz um die energetische Nachhaltigkeit des geplanten Gebäudes einschließlich der eingesetzten Technik bewerten zu können. 

Die Erläuterungen in diesem Beitrag bezüglich der Methodik zur Ermittlung der PER-Faktoren sollen eine Hilfestellung sein, um die Zusammenhänge und Bedeutung besser nachvollziehen zu können. Wichtig ist das grundlegende Verständnis, dass diese Faktoren im Wesentlichen aussagen, um welchen Anteil der erzeugte Primärstrom größer sein muss als die im Gebäude verbrauchte Endenergie - somit spiegelt der berechnete PER-Bedarf eines Gebäudes anschaulich die benötigten Energie-Ressourcen wider – in diesem Fall die benötigten erneuerbaren Ressourcen. 

Die Ergebnisse verdeutlichen, dass eine hohe Effizienz bei der Heizwärme im Sinne der Nachhaltigkeit noch wichtiger ist als z.B. bei der Kühlung – denn die Gleichzeitigkeit verfügbarer Erzeugung von erneuerbarer Energie und anfallendem Energiebedarf ist ausschlaggebend.  

----

==== Quellenverzeichnis ====

[Feist 2013]	Feist, W.: [[grundlagen:energiewirtschaft_und_oekologie:energiekonzepte_das_passivhaus_im_vergleich|Energiekonzepte – das Passivhaus im Vergleich.]] In: Tagungsband zur 17. Internationalen Passivhaustagung, Frankfurt, April 2013.

[Feist 2014]	Feist, W.: [[grundlagen:nachhaltige_energieversorgung_mit_passivhaeusern:passivhaus_-_das_naechste_jahrzehnt|Passivhaus – das nächste Jahrzehnt.]] In: Tagungsband zur 18. Internationalen Passivhaustagung, Aachen, April 2014.

[intpow 2009]	World Hydro Potential and Development. intpow, Norwegian Renewable Energy Parnters 2009

[SSE]	Weltweit Monatsmittlere Windgeschwindigkeiten im 1x1° Raster. Surface meteorological and Solar Energy (SSE) web portal supported by the NASA LaRC POWER Project.

[Mono et.al. 2014]	Mono, R., Glasstetter, P., Horn, F.: Ungleichzeitigkeit und Effekte räumlicher Verteilung von Wind- und Solarenergie in Deutschland. Eine Untersuchung der 100 %-erneuerbar-Stiftung. April 2014.

[Recknagel 2009]	Recknagel, Sprenger, Schramek: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik; 74. Auflage, München, Oldenbourg Industrieverlag 2009.