Laut der Bundesregierung soll bis 2050 der Anteil umweltschädlicher Treibhausgase um bis zu 95 % verringert werden (BMWi 2010). Dies kann nur gelingen, wenn auf der einen Seite der Energieverbrauch reduziert wird, z. B. durch Verbesserung der Energieeffizienz technischer Anlagen und die energetische Gebäudesanierung, und auf der anderen Seite der Beitrag regenerativer Energien am Energieverbrauch gesteigert wird. Zur Umsetzung und Bewältigung der damit einhergehenden Herausforderungen kommt den Städten und Gemeinden eine Schlüsselrolle zu. Findet in diesen doch der Großteil des Energieverbrauchs und des umweltschädlichen anthropogenen Ausstoßes von Treibhausgasen statt (Pichler, P.-P. et al. 2017).
Vielerorts wurden diesbezüglich erste Weichen gestellt und Maßnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauchs aber auch zur Integration regenerativer Energien eingeleitet (Aretz, A. et al. 2009). So entstanden u. a. im Rahmen der Nationalen Klimaschutzinitiative (BMU) in den letzten Jahren eine Vielzahl an Energiekonzepten für Gemeinden und Quartiere, allen voran für die Metropolen und Großstädte. Doch neben den Großstädten und den Metropolen kommt gerade den Klein- und Mittelstädten aufgrund ihrer Anzahl und Verankerung in der Fläche eine zentrale Bedeutung bei der Umsetzung der Energiewende in der Breite zu. Aufgrund der vielfältigen Herausforderungen, denen sich Klein- und Mittelstädte gegenübersehen (z. B. Demografischer Wandel, Bevölkerungsabwanderung, Daseinsvorsorge, Klimaanpassung, Energiewende, usw.), bedürfen diese
zukünftig einer steigenden Unterstützung bei der Transformation hin zu einer nachhaltigen Energieversorgung. Voraussetzung hierfür ist neben finanziellen und personellen Ressourcen insbesondere auch die Bereitstellung von Informationen, die für eine Entwicklung von Maßnahmen hin zur Transformation notwendig sind, von besonderer Bedeutung.
Während für Großstädte und Metropolen bereits eine Vielzahl an Daten und Informationen existieren und immer neue hinzukommen, fehlt es in Klein- und Mittelstädten bzw. in der Fläche an relevanten Informations- und Datenquellen für die Erarbeitung von Energiekonzepten. Infolgedessen werden bei der Erstellung von Konzepten für Kleinund Mittelstädte, insbesondere ländlich geprägten Regionen, häufig regionale oder auch nationale Datenquellen und Durchschnittswerte herangezogen.
Die hierbei verwendeten Verfahren und Softwarelösungen liefern eine breite Spanne unterschiedlicher Ergebnisse, wodurch ein Vergleich zwischen Konzepten und Ergebnissen aber auch zwischen den Gemeinden nur bedingt möglich ist. Trotz des fluktuierenden Charakters der Mehrheit der regenerativen Energieformen werden in den Konzepten nur vereinzelt die zeitlichen Verläufe von Energienachfrage und Energieangebot berücksichtigt.
Hierbei beeinflussen gerade diese das Potenzial einer Gemeinde große Teile der Energienachfrage mit regenerativen Energien zu versorgen und damit unabhängiger von Energieimporten zu werden.
Im Rahmen der Arbeit wurde dahingehend ein Verfahren erarbeitet, mit dessen Hilfe das regenerative Energiepotenzial für die Energieversorgung der Wohnbebauung ermittelt werden kann. Exemplarisch wurden hierfür die Solarenergie und die in organischen Restund Abfallstoffen gespeicherte Energie ausgewählt. Dem Angebot solarer und in Biomasse gespeicherter Energie (Kapitel 5) wird der Energiebedarf der Privaten Haushalte für Strom, Warmwasser und Raumwärme gegenübergestellt (Kapitel 4). Gegenüber derzeit gängigen Untersuchungen auf kommunaler Ebene werden hierbei insbesondere die zeitlichen Unterschiede in der Energienachfrage und dem regenerativen Energieangebot durch Last- und Bereitstellungsprofile berücksichtigt. Grundlage der Berechnungen von Energiebedarf und regenerativem Energieangebot bildet das Siedlungsmodell (Kapitel 3), welches den Wohngebäudebestand und die damit verbundene Flächennutzung u. a. aufBasis von amtlichen Statistiken und frei zugänglichen Daten beschreibt. Anhand eines Fallbeispiels wird der Ansatz demonstriert (Kapitel 6) und mittels Sensitivitätsstudien der Einfluss sowie Wirkungszusammenhänge ausgewählter Parameter näher beleuchtet. Abschließend werden im Kapitel 7 die Ergebnisse ausgewertet, interpretiert sowie ein Fazit gezogen.
Aus den gewonnenen Erkenntnissen zeigt sich, dass Berechnungen zum regenerativen Energiepotenzial auf Jahresbasis nur eine vergleichsweise geringe Aussagekraft bezüglich des Beitrags zur Energieversorgung zulassen. Demgegenüber weisen Modellierungen auf stündlicher Basis darauf hin, in welchen Zeiträumen, die hier betrachteten, regenerativen Energiequellen (Solarenergie, organische Rest- und Abfallstoffe) einen Beitrag zur Energieversorgung leisten können. Weiterhin zeigt sich, dass das bilanzierte regenerative Energiepotenzial für ein Jahr etwa um den Faktor 3 über dem modellierten Potenzial auf stündlicher Basis liegt.:Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Kurzfassung
Abstract
1 Einleitung
1.1 Forschungsfrage und Zielstellung
1.2 Forschungskonzept und Aufbau der Arbeit
2 Grundlagen und Definitionen
2.1 100 %-Erneuerbare Eigenversorgung
2.2 Nutzenergie, Endenergie, Verbrauch und Bedarf
2.2.1 Nutz- und Endenergie
2.2.2 Energieverbrauch und Energiebedarf
2.3 Lastgang der Energienachfrage und Volatilität regenerativer Energien
2.4 Wirkungszusammenhänge zwischen Siedlungsstruktur und Energie
2.4.1 Struktur und Morphologie von Siedlungen
2.4.2 Siedlungsstrukturen im Kontext von Energieverbrauch und Energieeffizienz
2.4.3 Siedlungsstrukturen und Energiebereitstellung
3 Das Siedlungsmodell
3.1 Der Strukturtypenansatz
3.1.1 Die Strukturtypen
3.1.2 Merkmale und Merkmalsausprägungen der Strukturtypen
3.1.3 Herleitung der Strukturtypen
3.2 Gebäudevertreter
3.2.1 Systematik der Gebäudevertreter
3.2.2 Merkmale und Merkmalsausprägungen der Gebäudevertreter
3.2.3 Herleitung der Gebäudevertreter
4 Energiebedarfsmodell
4.1 Heizwärmebedarf privater Haushalte
4.1.1 Verfahren zur Berechnung des Heizwärmebedarfs auf städtischer bzw. teilstädtischer Ebene
4.1.2 Energiekennwerte
4.1.3 Modelle zur Modellierung von Heizlastprofilen
4.1.4 Berechnung des Heizwärmebedarfs und Modellierung der Wärmelast im Modell
4.2 Energieaufwand für die Bereitstellung von Warmwasser in privaten Haushalten
4.2.1 Einflussfaktoren des häuslichen Warmwasserkonsums und dem damit verbundenen Energieverbrauch
4.2.2 Methode zur Berechnung des Energiebedarfs für Warmwasser
4.2.3 Lastprofil des Warmwasserbedarfs
4.2.4 Berechnung und Modellierung des Warmwasserbedarfs im Modell
4.3 Stromverbrauch privater Haushalte
4.3.1 Einflussfaktoren
4.3.2 Methoden zur Ermittlung des Strombedarfs privater Haushalte
4.3.3 Ansätze und Konzepte zur Modellierung von Lastprofilen privater Haushalte
4.3.4 Berechnung und Modellierung des Stromverbrauchs privater Haushalte im Modell
5 Potenziale regenerativer Energien und Energiespeicher
5.1 Aktive Nutzung direkter solarer Strahlungsenergie
5.1.1 Berechnung der solaren Strahlungsenergie
5.1.2 Energetische Nutzung direkter Solarstrahlung mittels Photovoltaik
5.1.3 Energetische Wärmenutzung direkter Solarstrahlung
5.1.4 Flächen für eine aktive solare Strom- und Wärmebereitstellung
5.1.5 Berechnung des PV- und Solarthermiepotenzial im Modell
5.2 Energetische Nutzung organischer Abfälle aus dem Siedlungsbereich
5.2.1 Aufkommen organischer Siedlungsabfälle privater Haushalte
5.2.2 Berechnung des Aufkommens organischer Siedlungsabfälle im Modell
5.2.3 Energiebereitstellung aus organischen Siedlungsabfällen privater Haushalte
5.2.4 Berechnung des energetischen Potenzials im Modell
5.3 Energiespeicher
5.3.1 Stromspeicher
5.3.2 Wärmespeicher
5.3.3 Integration der Speicher im Modell
6 Anwendung des Verfahrens an einem Fallbeispiel
6.1 Das Fallbeispiel
6.1.1 Bestand und Struktur der Wohngebäude
6.1.2 Einwohner- und Haushaltsdaten
6.1.3 Eingangsdaten und Annahmen zu den Strukturtypen
6.1.4 Eingangsdaten regenerativer Energien
6.1.5 Ergebnisse des Siedlungsmodells
6.2 Energiebedarf im Fallbeispiel
6.2.1 Gesamtbilanz
6.2.2 Warmwasserbedarf
6.2.3 Strombedarf
6.2.4 Heizenergie
6.3 Potenzial regenerativer Energien im Fallbeispiel
6.3.1 Biomasse
6.3.2 Solarenergie (Photovoltaik)
6.3.3 Solarenergie (Solarthermie)
6.4 Bilanzierung der stündlichen Last und der Energiebereitstellung
6.4.1 Winter
6.4.2 Übergang
6.4.3 Sommer
6.5 Sensitivitätsanalysen
6.5.1 Extremer Winter und extremer Sommer
6.5.2 Bauliche Dichte
6.5.3 Thermische Verbesserung von Wohngebäuden
6.5.4 Speicherdimension
6.5.5 Zusammenfassung der Sensitivitätsanalysen
7 Auswertung und Interpretation
7.1 Beitrag regenerativer Energien zur Energieversorgung
7.2 Das Verfahren – Umsetzung, Grenzen und Übertragbarkeit
7.3 Zukünftige Aufgaben und weitere Forschungsfelder
8 Literatur
9 Anhang
9.1 Anhang Kapitel „Lastprofile privater Haushalte“
9.2 Anhang Kapitel 7. - „Datengrundlage Fallbeispiel“
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:72957 |
| Date | 01 December 2020 |
| Creators | Krauß, Norbert |
| Contributors | Müller, Bernhard, Koziol, Matthias, Deilmann, Clemens, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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