Auswirkungen hoher erneuerbarer Energieanteile auf städtische Stromnetze unter Berücksichtigung der Fernwärmeinfrastruktur

Kusch, Wolfgang

dc.date.accessioned	2021-08-27T12:06:39Z
dc.date.available	2021-08-27T12:06:39Z
dc.date.issued	2021
dc.identifier	doi:10.17170/kobra-202108024464
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/123456789/13173
dc.description	Zugleich: Universität Kassel, Dissertation, 2020
dc.language.iso	ger
dc.publisher	kassel university press
dc.rights	Namensnennung 4.0 International	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/	*
dc.subject	Niederspannungsnetz	ger
dc.subject	Energiewende	ger
dc.subject	Stadt	ger
dc.subject.ddc	333
dc.subject.ddc	600	ger
dc.title	Auswirkungen hoher erneuerbarer Energieanteile auf städtische Stromnetze unter Berücksichtigung der Fernwärmeinfrastruktur	ger
dc.type	Buch
dcterms.abstract	Die Energie-, Wärme- und Verkehrswende kann eine Herausforderung für die städtische Netzinfrastruktur werden. Um die Auswirkungen vor allem auf die Niederspannungsnetze in städtischem und stadtnahem Umfeld beurteilen zu können, wird in dieser Dissertation die Auswirkung einer vollumfassenden Energiewende aufgezeigt. Die ausgesuchten Niederspannungsnetze sind als typische Netze in der Region Köln zu betrachten. In einem ersten Schritt wird davon ausgegangen, dass in den zu untersuchenden Niederspannungsnetzen alle für die Photovoltaik geeigneten Dächer mit Photo-voltaik-Modulen belegt werden und diese als netzgekoppelte PV-Anlagen betrieben werden. Hierzu ist eine detaillierte Auswertung der Dachflächen notwendig, da für die untersuchten Netze kein Solarkataster existiert. In diesem Zusammenhang ist zu untersuchen, ob es zu Problemen im Spannungsband [Niederspannungs-richtlinie] oder zu Betriebsmittelüberlastungen [Kabel, Transformatoren] kommt. Um realistische Berechnungen durchführen zu können, werden statistisch gemittelte Lastprofile benötigt, die auch zukünftige Entwicklungen wie Demand Side Management bei Großgeräten im Haushalt, elektrische Brauchwasser-erwärmung mit Überschüssen aus erneuerbaren Energien, verstärkte Nutzung von Wärmepumpenheizungen unter Berücksichtigung von verbesserter Energieeffizienz bei Bestandsgebäuden [energetische Sanierung \| Reduktion des Heizwärmebedarfs um biszu 70 % in Bezug auf den durchschnittlichen Gebäude-bestand] berücksichtigen. Damit diese Lastprofile effizient erstellt werden können, wird ein Lastprofilgenerator benötigt, der diese Aufgabe übernehmen kann. Dieser wird auf bereits bekannten Methoden wie den Standard-Lastprofil für Haushalts-strom, Wasserzapfprofilen für Warmwasser und den einschlägigen DIN-Normen für die Heizenergieberechnung erstellt. Für den Bereich Elektromobilität wird auf statistisch ausgewertete Fahr-/Mobilitätsprofile zurückgegriffen, deren Datensätze vom KIT [Karlsruher Institut für Technologie] über einen Zeitraum von 20 Jahren gesammelt worden sind. Anhand von Grundrissdaten der Gebäude aus Liegenschaftskarten lassen sich relativ genaue Heizprofile anhand der so bestimmten beheizten Fläche mit Hilfe des Lastprofilgenerators erstellen, um so die Belastung der Netze durch Wärme-pumpenheizungen darzustellen. Treten Probleme bei der Einhaltung des Spannungsbandes bzw. Betriebsmittelüberlastungen für den untersuchten Fall in den Niederspannungsnetzen auf, werden Lösungsansätze wie z.B. Demand Side Management, Lastreduktion, aber auch eine Kombination aus Wärmepumpen-heizungen und Kraftwärmekopplung, thermische Speicher und Batteriespeicher [auch bidirektionale Traktionsbatterien von E-Fahrzeugen] genutzt, um einen zulässigen Arbeitspunkt in den Niederspannungsnetzen zu erreichen. Außerdem wird die Auswirkung der energetischen Gebäudesanierung bis hin zum Passivhaus auf den Fernwärmesektor anhand eines Fernwärmemodells betrachtet. Besonderer Wert wird auf die Begutachtung der Verteilverluste gelegt. Durch eine verbesserte Fahrweise der Fernwärmesysteme und ggf. eine Weiterentwicklung der Anlagentechnik – insbesondere bei der Brauchwassererwärmung durch Fernwärme – können Verteilverluste bei Energieeffizienzgebäuden deutlich reduziert werden. Die Betrachtung des Energieverbrauchs und der nutzbaren Flächen durch Photovoltaik in einer Metropole zeigt aber auch, dass eine Großstadt auch in Zukunft, vor allem im Winter, auf Energieimporte aus dem Umland angewiesen sein wird. Im Sommer ist es bei ausreichenden Speicherkapazitäten in der Stadt möglich, diese zeitweise durch lokale dezentrale Photovoltaik zu versorgen. Mit Hilfe von dezentralen Speichern können die vorgelagerten Netzebenen entlastet werden. Diese Dissertation zeigt Lösungsansätze für die Energiewende im Hinblick auf eine effiziente Nutzung städtischer Niederspannungsnetze auf.	ger
dcterms.abstract	The transitions in the fields of electricity, heat energy and traffic could prove a challenge for the urban grid infrastructure. This dissertation studies the effects of such a comprehensive energy transition in order to provide a professional opinion on its impact on low-voltage grids in an urban and a peri-urban environment. The chosen types of low-voltage grids are typical in the region of Cologne. The first step is to examine the photovoltaic potential of the roofs in the designated low-voltage grids. A detailed analysis is very important as a solar cadastre doesn’t exist in the examined area. All photovoltaic systems are grid-connected in this study. In the case of many grid-connected photovoltaic systems, grid analyses have to be calculated to detect overloaded electrical equipment (cables, transformers) and violations of the voltage range (low-voltage directive). Load profiles are essential for these grid calculations and are used with a statistical average. These load profiles are needed to account for future developments such as Demand Side Management in case of large household appliances (refrigerator, freezer, washing machine, tumble dryer, dishwasher) and electrical domestic water heaters with a surplus of renewable energy, increased usage of electrical heat pumps under consideration of a better existing buildings’ energy efficiency (energy-saving measures \| heat demand savings up to 70 % in relation to the existing buildings’ average). A load profile generator has to be developed and programmed for an efficient calculation of these different load profiles. This generator uses well known methods like electrical standard load profiles for households, tapping behaviour for hot water and DIN standards for heating energy calculations. The KIT (Karlsruher Institute of Technology) has collected more than 20 years representative data sets of drive/mobility behaviour in Germany. A statistical evaluation of these data sets is used to calculate charging profiles for electro mobility. For realistic heating load profiles, it is relevant to know the approximate heating surface of the buildings. This could be calculated by their floor space. Land register maps are used to acquire this data. The load profile generator uses this heating surface and other parameters to calculate the load profiles for heat pumps which are used to analyse the loading of the chosen low-voltage grids. If the voltage range is exceeded or the electrical equipment overloads in the analysed low-voltage grids, the following approaches are used to eliminate the possible grid bottlenecks: Demand Side Management, decrease of load, a combination of heat pumps and combined heat and power (CHP), thermal energy storages and batteries (also bidirectional electric vehicle batteries). An important analysis for district heating is the impact of buildings’ energy-saving measures until low-energy-housing (passive house) standards. The simulation model of district heating is considered particularly the transportation heat losses in the pipes. A better operation mode and further development of installation equipment – especially the district heating supply of domestic water boilers – in the district heating systems could reduce the transport heat losses in case of energy efficiency buildings drastically. The consideration of the energy consumption and the usable areas through photovoltaics in a metropolitan area also shows, however, that a big city will also be dependent on energy imports from the surrounding countryside in the future, especially during winter. In summer it is possible, if enough storages are installed, to supply a city temporarily with local decentralized photovoltaic. Decentralized storages could take the load off the upstream grid levels. This dissertation identifies solutions for the energy system transformation with regard to an efficient use of urban low-voltage grids.	eng
dcterms.accessRights	open access
dcterms.creator	Kusch, Wolfgang
dcterms.dateAccepted	2020-08-21
dcterms.extent	259 Seiten
dc.contributor.corporatename	Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Elektrotechnik / Informatik
dc.contributor.referee	Claudi, Albert (Prof. Dr.)
dc.contributor.referee	Stadler, Ingo (Prof. Dr.)
dc.publisher.place	Kassel
dc.relation.isbn	978-3-7376-0979-1
dc.subject.swd	Energiewende	ger
dc.subject.swd	Erneuerbare Energien	ger
dc.subject.swd	Niederspannungsnetz	ger
dc.subject.swd	Fernwärmeversorgung	ger
dc.subject.swd	Infrastruktur	ger
dc.subject.swd	Stadt	ger
dc.type.version	publishedVersion
kup.iskup	true
kup.price	39,00
kup.subject	Naturwissenschaft, Technik, Informatik, Medizin	ger
kup.typ	Dissertation
kup.institution	FB 16 / Elektrotechnik / Informatik
kup.binding	Softcover
kup.size	17 x 24 cm
ubks.epflicht	true