Auswirkung von auf die Stromerzeugun
Di t 10 NDienstag, 10. NPCM-Symposium
Dipl Phys TDipl.-Phys. T
11
PCM-Systemen ng und -bereitstellung
N b 2009November 2009m 2009, Karlsruheobias Schmidobias Schmid
Gliederung1 Zi l d P j kt1. Ziel des Projekts2. Klimatisierungsbedarf im Sektor 3 G bä d i l ti d R i3. Gebäudesimulation und Regione4. Integration von PCM-Kühleleme5. Ergebnisse6. Weiteres Vorgehen
2
GHDd llenmodell
nten
Ziel des ProjektsZiel des Projekts
Zwei wesentliche Ziele des ProjektsAuswirkung von PCM auf den elektÖkologische Auswirkungen der verÖkologische Auswirkungen der ver
Zur Darstellung der Ist-Situation wegGesamter Strombedarf für die KlimElektrische Lastgang für Klimatisier
Elektrische Lastgänge für verschiedeElektrische Lastgänge für verschiedeAnteil der Gewerbeflächen je RegionTypische Klimatisierungsraten je Ge
V b h l t fü D t hlVerbraucherlastgang für Deutschla
Für die Entwicklung von SzenarienFür die Entwicklung von Szenarien Zukünftige KlimatisierungsratenAusbauszenarien für PCM
3
s sindtrischen Lastgangränderten Stromerzeugungränderten Stromerzeugung
erden benötigtgatisierung in Deutschlandrung in Deutschlandene Gebäudetypen und Regionenene Gebäudetypen und Regionennbäudetyp
dand
werden benötigtwerden benötigt
Strombedarf für die KlimatisierungStrombedarf für die Klimatisierung
Abschätzung des Klimatisierungsbedar
1
1,5
ungs
beda
rf
n TW
h
1,0
1,5
beda
rf G
HD
hä
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er
0
0,5
Hamburg Berlin StadtKlim
atis
ieru
GH
D in
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00032
0,0
0,5
Hamburatis
ieru
ngsb
n M
Wh/
Bes
chAbschätzung des Kältebedarf für Klima
Hamburg Berlin StadtMünster& KreisSteinfurt
Hambur
Klim
ain
Abschätzung des Kältebedarf für Klima
Kältebedarf für Klimatisierung GHD in 114 9 TWh /a bzw 4 6 TW14,9 TWhc/a bzw. 4,6 TW
Zunahme der gekühlten Fläche 1999-2Fortgeschriebener Kältebedarf für Klim
28 7 TWh / b 8 8 TW28,7 TWhc/a bzw. 8,8 TW
+ Strom für Klimatisierung Industrie: 18
4
/ECOHEAT/ fortgeschrieben auf 2005:
gg
rfs GHD in Deutschland /MOHR/, /GERTEC/
20
30
eter
be
darf
GH
D
d in
TW
h
g Berlin Stadt
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00033
0
10
Hamburg Berlin Stadt
bere
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atis
ieru
ngsb
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tsch
lan
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00034
atisierung GHD: 24 TWh /a bzw 8 TWh /a
g Berlin StadtMünster& KreisSteinfurt
Hamburg Berlin StadtMünster& KreisSteinfurt
Klim
afü
r
atisierung GHD: 24 TWhc/a bzw. 8 TWhel/a
1999 /DKV/: Wh /a
4
e / 99
9
Whel/a 2005 /ADN/: 1,9atisierung GHD:
Wh /2
3
ühlte
Flä
che
lte F
läch
e 19
Whel/a
8,6 TWhel/a0
1
1990
1995
2000
2005
2010
2015
2020
gekü
gekü
hl
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00101
18,0 TWhel/a
19 19 20 20 20 20 20
Elektrische Last für die KlimatisieruElektrische Last für die Klimatisieru
Analyse des elektrischen LastgangsHöhere Leistungsbedarf an kalten T
Mittagsspitze an allen TagenAbendspitze an kalten TagenG i V i ti i h k ltGeringe Variation zwischen kalten Geringe Variation zwischen warme
Vergleich der Stunde 7 mit Stunde Leistungsbedarf in Stunde 15 stetsHöherer Leistungsbedarf bei Tempe15 °C nahezu konstantBei Temperaturen ab 20 °C steigtBei Temperaturen ab 20 C steigt Leistungsbedarf stark an Maximaler Leistungsbedarf für die
5
Klimatisierung im Sommer beträgt e
ungung
65.000
70.000
75.000
n M
W
s /BVR/Tagen
50 000
55.000
60.000
Leis
tung
in
"kalter Tag""gemäßigter Tag"T
45.000
50.000
0 Uhr 6 Uhr 12 Uhr 18 Uhr 24 UhrUhrzeit
L gemäßigter Tag"warmer Tag"©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00099
Tagenen Tagen
10.000
12.000
MW
15 Uhr - 7 Uhr15 höher
4.000
6.000
8.000
istu
ng in
Meratur bis
0
2.000
-10 0 10 20 30Le
i
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00098
Tagesmitteltemperatur in °Ceinige GW
Elektrischer Lastgang für die KlimaElektrischer Lastgang für die Klima
Zur Bestimmung eines Klimatisierubenötigt:
Regionenmodell (/DEAFLEX/, BearZuordnung der Gemeinden zu den Gebäudesimulation für alle TRY ReGebäudesimulation für alle TRY-ReRegionenmodells Beschreibung der verschiedenen P
6
atisierung in Deutschlandatisierung in Deutschland
ngslastgangs für Deutschland werden
rbeitungsstand 2009)TRY-Regionen /DWD/
egionen und Typgebäude desegionen und Typgebäude des
PCM-Systeme
RegionenmodellRegionenmodell
Im Rahmen des Projekts /DEAFLEX/ wein Regionenmodell erstellt. Dieses enunter anderem folgende Daten (GHD):
GebäudetypGebäude ypBaualterFlächeBeschäftigteBeschäftigte
Musterdatensatz: Gebäudetyp Baualter FläGewerbe-/Industriebau 1978-1995Gewerbe-/Industriebau nach 1995Hotel, Beherbergung vor 1995Hotel, Beherbergung nach 1995Stadthaus mit Läden, Büros, Wohnungen, Restaurants bis 1951Stadthaus mit Läden, Büros, Wohnungen, Restaurants 1952-1977Stadthaus mit Läden, Büros, Wohnungen, Restaurants 1978-1995Stadthaus mit Läden, Büros, Wohnungen, Restaurants nach 1995Verkaufs-/Ausstellungsgebäude 1952-1977Verkaufs-/Ausstellungsgebäude 1978-1995Verkaufs-/Ausstellungsgebäude nach 1995Ver alt ngsgebä de 1952 1977Verwaltungsgebäude 1952-1977Verwaltungsgebäude 1978-1995Verwaltungsgebäude bis 1951Verwaltungsgebäude nach 1995
7Gebäudebestand GHD (Typ, BA,
wird Jeder Gemeinde wird über ein thält Geoinformationssystem eine
TRY-Region /DWD/ zugewiesen.
äche346319554139139194249152125133696767544242
Fläche) je TRY-Region
GebäudesimulationGebäudesimulation
Aufgabe: Simulation des Wärme- und Klimati
it 3 B lt kl i 15 TRmit ca. 3 Baualtersklassen in 15 TR645 Gebäudelastgänge
Anforderungen an die SimulationSchnelle Berechnung der LastgängSchnelle Berechnung der LastgängNicht exakte Abbildung des GebäuErfassung der Simulationsergebnisg gMöglichkeit einen PCM-Speicher zu
8
isierungslastgangs von 15 Typgebäuden RY R iRY-Regionen
gegedes, sondern typisches Verhalten
sse in einer Datenbanku integrieren
Gebäudesimulation Berechnung des WärmeübergangsBerechnung des Wärmeübergangs
Lüftungswä
QQ WandneuWand =,Q&
Q&
TRaum TAußenTWand,AußenTWand,Innen
T9
TWand,Mitte
s durch eine Mauers durch eine Mauer
Solare Gewinne
ärmeverluste
dtQQQQ solarLüftungUmgebungRaumalt&&&& ++++ ∫,
GebäudesimulationSimulation eines RaumsSimulation eines Raums
4 Wände1 Luftvolumen
WandaltRaumneuRaum QQQ Δ+=
10
,, WandaltRaumneuRaum QQQ 4321 WandWandWand QQQ Δ+Δ+Δ+ 4321 WandWandWand QQQ
GebäudesimulationSimulation eines GebäudesSimulation eines Gebäudes
Annahmen1 StockwerkMaximal 9 RäumeGröße der Eckräume begrenzt
Räume können unabhängig voneinmit PCM Produkten ausgestattet wemit PCM-Produkten ausgestattet weErgebnis der Simulation ist Heiz- unKühllastgang für ein Jahrg g
Benötigte Daten: Ausrichtung, Verschattung, SolarInnere Lasten (Raumnutzung), RBauphysik, U-Wert, Kubatur (RauModellierung der PCM-Systeme (
11
hander erden
h
erdennd
rer Eintrag, Außentemperaturegelungstechnik, Luftwechselrate
um u. Gebäude)(Kühldecken oder Sonnenschutz)
Zusammenfassung der GebäudelaZusammenfassung der Gebäudela
Die Zusammenfassung der Jahres-verschiedene Typgebäude und Bauden Jahres-Klimatisierungslastgang
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00035 ©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00036 ©
10 % 25 %
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00043 ©
Insgesamt ergeben sich 15 Klimatis
Alpenvorland Nord
12
g geinem deutschen Klimatisierungslas
astgängeastgänge
-Klimatisierungslastgänge für ualtersklassen einer TRY-Region ergibt g der jeweiligen TRY-Region.
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00039©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00040©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00041
15 % 30 % 20 %
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00042 ©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00044
sierungslastgänge die anschließend zu
dseeküste „Rhein“, Emsland
g g gstgang zusammengefasst werden.
Elektrischer Lastgang für die KlimaElektrischer Lastgang für die Klima
Zusammenfassung der TRY-Kälte-Lastgänge ergibt Klimatisierungslasfü ll t ht G bä dfür alle untersuchten Gebäude Annahme: Jedes Gebäude mit mehr al500 „Volllaststunden“ pro Jahr wird klim500 „Volllaststunden pro Jahr wird klim(„VLS“: Energiebedarf/maximale LeistuAnnahme: gleiche GHD-Fläche wie /ECAnnahme: maximale Raumtemperatur Ergebnis: Kältebedarf für Klimatisierungzu klimatisierenden Gebäude (72 % dezu klimatisierenden Gebäude (72 % deKlimatisierungspotential nach /ECOHESkalierung des Lastgangs auf 8,8 TWhKlimatisierung GHD in DeutschlandNicht berücksichtigt sind Flächen mit hdas ganze Jahr über klimatisiert werde
13
das ganze Jahr über klimatisiert werdeJahreshöchstlast: ca. 6 GW (vorläufige
atisierung in Deutschlandatisierung in Deutschland
stgang 1 000
1.500
rme
und
Wh
20
30
3, p. in
°CWärme
KälteTemperatur
s matisiert 500
1.000
beda
rf W
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älte
in G
W
0
10
Reg
ion
13sm
ittel
tem
p
matisiertung)COHEAT/ 0
1 Jan 1 Apr 1 Jul 1 Okt 1 Jan
Tage
sb K
-20
-10
Tage
s
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00110
24 °Cg aller
er Fläche werden gekühlt) beträgt 103 TWh
1. Jan 1. Apr 1. Jul 1. Okt 1. Jan
er Fläche werden gekühlt) beträgt 103 TWhc
AT/: 105 TWhc (73 % der Fläche gekühlt)hel ergibt den elektrischen Lastgang für die
ohen inneren Lasten (z.B. Serverräume) die n müssenn müssen.
er Wert)
Beschreibung von hinterlüfteten KBeschreibung von hinterlüfteten K
Max. Kühlleistung: 25 WMax. Regenerierleistung: 30 WEl. Leistung für Kühlung: 1,04El. Leistung für Regeneration: 2,08Kühlleistung abhängig von RaumteRegenerationsbetrieb über freie Kü
Beginn: 22 Uhr Ende: sobald Speicher leer ist
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00067 ©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00068
14
Jahreslastgang für verschiedene Gebä
Kühldecken mit PCMKühldecken mit PCM
W/m²W/m² 25
30
35
in W
/m²
4 W/m²8 W/m²
5
10
15
20
Küh
leis
tung
mperaturhlung
0
5
20 25 30
Temperatur in °C
K
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00139
30
35
40
°C hlun
gel. LeistungTemperatur (Süd)Temperatur (Nord)Außentemperatur
15
20
25
30
pera
tur i
n °
ung
für K
üAußentemperatur
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00069 0
5
10
15
Tem
p
el. L
eist
u
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00070
äude 30. Jul 0 Uhr 31. Jul 0 Uhr 1. Aug 0 Uhr 2. Aug 0 Uhr
Vergleich der LastgängeVergleich der Lastgänge
Vergleich: Kompressionskältemasc1.500
ärm
e,
n G
Wh
20
30
in °
CWärmeKälteStrom für Kälte
500
1.000
beda
rf W
äd
Stro
m in
0
10
egio
n 13
, m
ittel
tem
p.Temperatur
0
500
Tage
sbK
älte
und
-20
-10
RTa
gesm
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00135
St i d i ht E
1. Jan 1. Apr 1. Jul 1. Okt 1. Jan
Strom wird nicht zur Erzeugung vonStrombedarf sinkt um knapp 80 % vLeistungsspitze verschiebt sich vonLeistungsspitze verschiebt sich vonNicht in allen Typgebäuden wird ein
15
hine und hinterlüftete PCM-Kühldecke1.500
me
und
h
20
30
in °
CWärmeStromTemperatur
1.000
darf
Wär
mom
in G
Wh
0
10
egio
n 13
, itt
elte
mp.
p
0
500
Tage
sbed
Stro
-20
-10
Re
Tage
sm
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00133
Kält d t
01. Jan 1. Apr 1. Jul 1. Okt 1. Jan
-20
n Kälte verwendetvon 8,8 GWh auf 1,9 GWhn 15 16 Uhr auf 22 23 Uhrn 15-16 Uhr auf 22-23 Uhr, ne ausreichende Klimatisierung erreicht
Beschreibung von wasserdurchströBeschreibung von wasserdurchströ
Max. Kühlleistung: 30 WMax. Regenerierleistung: 50 WEl. Leistung für Kühlung: 0 WEl. Leistung für Regeneration: ? WKühlleistung abhängig von RaumteRegenerationsbetrieb über Kältema
Beginn: 22 Uhr Ende: sobald Speicher leer ist
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00149 ©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00148
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Jahreslastgang für verschiedene Gebäu
ömten Kühldecken mit PCMömten Kühldecken mit PCM
25
30
35
in W
/m²W/m²
W/m²
5
10
15
20
Küh
leis
tung
W/m²W/m²
0
5
20 25 30
Temperatur in °C
K
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00136mperaturaschine
30
35
40
°C für
Bedarf_Kälteel. LeistungTemperatur (Süd)Temperatur (Nord)
15
20
25
30
pera
tur i
n °
und
Käl
te f
gene
ratio
n
Temperatur (Nord)Außentemperatur
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00146 0
5
10
15
Tem
p
Stro
m
Reg
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00143
29. Jul 0 Uhr 30. Jul 0 Uhr 31. Jul 0 Uhr 1. Aug 0 Uhrude
Vergleich der LastgängeVergleich der Lastgänge
Kompressionskältemaschine und w1.500
ärm
e,
n G
Wh
20
30
in °
CWärmeKälteStrom für Kälte
500
1.000
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rf W
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Stro
m in
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10
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n 13
, m
ittel
tem
p.Temperatur
0
500
Tage
sbK
älte
und
-20
-10
RTa
gesm
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00135
Kält b d f d 25 % i
1. Jan 1. Apr 1. Jul 1. Okt 1. Jan
Kältebedarf um rund 25 % geringerLeistungsspitze verschiebt sich vonL i t it d lt i h KäLeistungsspitze verdoppelt sich, KäZeitraum von acht Stunden flexibilisWirkungsgrad der Kältebereitstellun
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Wirkungsgrad der Kältebereitstellun
wasserdurchströmte PCM-Kühldecke1.500
me
und
h
20
30
in °
CWärmeKälteStrom für KälteTemperatur
1.000
darf
Wär
mom
in G
Wh
0
10
egio
n 13
, itt
elte
mp.
Temperatur
0
500
Tage
sbed
Stro
-20
-10
Re
Tage
sm
©FfE EON-0001 Phase-Change-M aterials_00153
d ittl R t t höh
01. Jan 1. Apr 1. Jul 1. Okt 1. Jan
-20
r, da mittlere Raumtemperatur höhern 15-16 Uhr auf 22-23 Uhr, ält b it t ll k j d h i iältebereitstellung kann jedoch in einem siert werdenng steigt da Außentemperatur niedriger?ng steigt, da Außentemperatur niedriger?
Weiteres VorgehenWeiteres Vorgehen
Auswertung des Verlaufs der Raumverschiedene Typgebäude und TRYErmittlung des Komfortgewinns
E i kl A b i fEntwicklung von Ausbauszenarien fMarktdurchdringung von PCM-ProdRückwirkung auf den StromlastganRückwirkung auf den Stromlastgan
Veränderung des elektrischen LastgVeränderung des elektrischen LastgRückwirkung auf die Stromerzeugu
18
mtemperaturen über das Jahr für Y-Regionen
fü Kli i i dfür Klimatisierung und dukten gg
gangsgangsng
FazitFazit
KlimatisierungDer Klimatisierungsbedarf wird weiVolllaststunden für Klimatisierung sEs gibt bereits heute eine Auswirkuelektrischen Lastgangelektrischen Lastgang
PCM-SystemePCM SystemePCM-Systeme sind eine AlternativeSignifikante LeistungsverschiebungBei Marktdurchdringung kann ein LLeistungsspitze des PCM-SystemsEine flexible Kälteerzeugung in AbhEine flexible Kälteerzeugung in AbhErneuerbaren Energien ist denkbar
19
terhin steigensind gering große Jahreshöchstlast ung des Klimatisierungsbedarfs auf den
e zu herkömmlichen Systemeng kann erreicht werdenLastmanagement interessant werden um die s zu verringernhängigkeit der Verfügbarkeit von Strom aushängigkeit der Verfügbarkeit von Strom aus r
Vielen Dank für Ihre
A h tAnsprechpartner:Dipl.-Phys. Tobias Schmid
+49 (89) [email protected]
Forschungsstelle für Energiewirtschaft eAm Blütenanger 7180995 München
2020
http://www.ffe.de
e Aufmerksamkeit!
e.V.
LiteraturverzeichnisLiteraturverzeichnis
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/DEAFLEX/ Chancen und Risiken von KWK imMasterplan München: ForschungssteMasterplan. München: Forschungsste
/DKV/ Energiebedarf für die technische ErzeDeutschen Kälte- und KlimatechnischKlimatechnischer Verein e.V. DKV, 2
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21
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m Rahmen des IEKP – Teilprojekte: Flex und elle für Energiewirtschaft (FfE) 2009elle für Energiewirtschaft (FfE), 2009eugung von Kälte - Statusbericht des hen Vereins. Stuttgart: Deutscher Kälte- und 002
Thomas; Webs, Monika:Testreferenzjahre von e Witterungsverhältnisse TRY. Offenbach a.
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bäudekühlung - 4. Netzwerktreffen zum Thema Hamburg: 2009 groHeat&Power. Brüssel, 2006
