Integration of available regenerative energy sources in community networks for both electricity and heating

Integration von regenerativen Energiequellen in ein kommunales Energienetz für Elektroenergie und Wärme

  • In the last years, energy prices for German households have been increasing constantly. Some reasons for that include: the dependency of Germany on external fossil fuels to supply its energy demand, the decision to invest in renewable energy generation and to shut down all its nuclear power plants. Nowadays households are already able to generate energy on-site, however the generation potential depends on climatic conditions as well as the specific location and the type of the building. The aim of this work is to evaluate whether a community of new efficient single-family houses can generate enough energy on-site to supply its electricity and heating demand over the year based on renewable energy sources and with the support of energy storage systems, including electric vehicles. The theoretical community is situated in the city of Cottbus, Germany. For this community, an electricity load profile was designed based on the use of common devices and separated in controllable and uncontrollable loads. Electricity is generated on-siteIn the last years, energy prices for German households have been increasing constantly. Some reasons for that include: the dependency of Germany on external fossil fuels to supply its energy demand, the decision to invest in renewable energy generation and to shut down all its nuclear power plants. Nowadays households are already able to generate energy on-site, however the generation potential depends on climatic conditions as well as the specific location and the type of the building. The aim of this work is to evaluate whether a community of new efficient single-family houses can generate enough energy on-site to supply its electricity and heating demand over the year based on renewable energy sources and with the support of energy storage systems, including electric vehicles. The theoretical community is situated in the city of Cottbus, Germany. For this community, an electricity load profile was designed based on the use of common devices and separated in controllable and uncontrollable loads. Electricity is generated on-site through photovoltaic panels and small wind turbines, and the electricity generation potential is evaluated based on the community’s available space, which is rather limited, and the actual regulations in the State of Brandenburg. A comparison of the available technologies to supply the heating demand as well as to store energy in the household sector is presented and discussed. It is assumed that each household has an electric vehicle that can be charged and also discharged in the community as an extra energy storage system. A software simulation system was designed with which an energy balance analysis is carried out based on hourly values of supply and demand. Under the assumptions taken for this study, the results of the simulation show that the community is able to generate more energy than consumed throughout a year, however in a few occasions there is not enough energy available to supply the community’s energy demand. Water can be heated up to 70°C at least once a week preventing the bacterium Legionella to grow. The community is able to supply 99% of the uncontrollable load group demand and 97% of the controllable load group demand. There is enough energy available to heat space during the cold months, if heat pumps with a coefficient of performance greater than two are used. The electric vehicles can be charged using the energy generated in the community via grid or extra battery banks. If energy prices continue to increase, German households will try to find solutions to reduce their energy bills. The integration of several households forming a community network is a solution that optimizes the energy use and space (especially taking wind turbines in consideration), and reduces investments. However, the implementation of such a community still depends on the availability of space, improvement and price reduction of energy storage systems, regulations for energy exchange as well as willingness of the people living in such a community to adapt their daily routine according to the availability of energy.show moreshow less
  • In den letzten Jahren sind die Energiepreise für Haushalte in Deutschland stetig gestiegen. Einige Gründe dafür sind: die Abhängigkeit Deutschlands von externen fossilen Brennstoffen zur Deckung des eigenen Energiebedarf, die Förderungen von Energieerzeugung aus erneuerbaren Energien sowie die sukzessive Abschaltung aller Kernkraftwerke. Heutzutage sind Haushalte bereits in der Lage, dezentral Energie zu erzeugen. Das Potential zur Energieerzeugung hängt jedoch von den klimatischen Bedingungen sowie der konkreten Lage und Art des Gebäudes ab. Das Ziel dieser Arbeit ist es zu analysieren, ob eine Gemeinschaft bestehend aus energieeffizienten Passiv-Einfamilienhäusern genügend Energie auf Basis von erneuerbaren Energien dezentral erzeugen kann, um ihren gesamten Strom-und Wärmebedarf mit der Unterstützung von Energiespeichern im Laufe eines Jahres zu decken (einschließlich von Elektrofahrzeugen). Die theoretische Gebäudegemeinschaft befindet sich in der Stadt Cottbus, Deutschland. Für diese Gemeinschaft wurde ein Stromlastprofil,In den letzten Jahren sind die Energiepreise für Haushalte in Deutschland stetig gestiegen. Einige Gründe dafür sind: die Abhängigkeit Deutschlands von externen fossilen Brennstoffen zur Deckung des eigenen Energiebedarf, die Förderungen von Energieerzeugung aus erneuerbaren Energien sowie die sukzessive Abschaltung aller Kernkraftwerke. Heutzutage sind Haushalte bereits in der Lage, dezentral Energie zu erzeugen. Das Potential zur Energieerzeugung hängt jedoch von den klimatischen Bedingungen sowie der konkreten Lage und Art des Gebäudes ab. Das Ziel dieser Arbeit ist es zu analysieren, ob eine Gemeinschaft bestehend aus energieeffizienten Passiv-Einfamilienhäusern genügend Energie auf Basis von erneuerbaren Energien dezentral erzeugen kann, um ihren gesamten Strom-und Wärmebedarf mit der Unterstützung von Energiespeichern im Laufe eines Jahres zu decken (einschließlich von Elektrofahrzeugen). Die theoretische Gebäudegemeinschaft befindet sich in der Stadt Cottbus, Deutschland. Für diese Gemeinschaft wurde ein Stromlastprofil, bestehend aus kontrollierbaren und unkontrollierbaren Belastungen, erstellt. Das Potential zur dezentralen Energieerzeugung basierend auf Photovoltaik- und kleinen Windkraftanlagen wird anhand der zur Verfügung stehenden Flächen sowie den gegenwärtigen gesetzlichen Vorschriften untersucht. Verfügbare Technologien zur Bereitstellung des Wärmebedarfs sowie aktuelle Speichertechnologien für Haushalte werden vergleichend vorgestellt und diskutiert. Es wird angenommen, dass jeder Haushalt ein elektrisches Fahrzeug besitzt, welches im Gemeinschaftsnetz auf- und entladen werden kann und somit auch als zusätzlicher Energiespeicher dienen kann. Um zu untersuchen, ob sich Energiebedarf und -erzeugung im stündlichen Zeitschritt decken, wurde eine Simulationssoftware entwickelt. Basierend auf den getroffenen Annahmen zeigen die Simulationsergebnisse, dass die dezentrale Energieerzeugung aus erneuerbaren Energien den Bedarf über den Zeitraum eines Jahres übersteigt. Es gibt jedoch einige wenige Zeitschritte, an denen der Bedarf größer als die Erzeugung ist. Es ist außerdem genug Energie vorhanden, um den Wassertank der Gemeinschaft einmal wöchentlich auf 70 °C zu erhitzen, um das Wachstum der Legionellen Bakterien zu verhindern. Die statistische Auswertung ergab, dass die Gemeinschaft 99 % der kontrollierbaren sowie 97 % der unkontrollierbaren Energiebedarfe decken kann. Außerdem steht genug Energie zu Verfügung um den Wärmebedarf während der kalten Wintermonate, unter Verwendung von Wärmepumpen mit einer Leistungszahl größer als zwei, zu decken. Die elektrischen Autos können sowohl mit der zur Verfügung stehenden Energie über das Gemeinschaftsnetz als auch über die Speichersysteme aufgeladen werden. Sollten die Energiepreise in Deutschland weiter ansteigen, werden Haushalte nach Möglichkeiten suchen ihre Stromrechnungen zu reduzieren. Die Integration von mehreren Haushalten zu einem Gemeinschaftsnetz könnte eine Lösung darstellen, welche sowohl die Energienutzung als auch den verfügbaren Platz (insbesondere unter Berücksichtigung von Windkraftanlagen) optimiert und Investitionen reduziert. Die Umsetzung einer solchen Gemeinschaft hängt jedoch vom verfügbaren Platz, der Weiterentwicklung und Kostenverringerung von Energiespeichersystemen, der Regulierung von Energieaustausch sowie der Bereitschaft der Gemeinschaft ab, ihre täglichen Abläufe an die Verfügbarkeit von Energie anzupassen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Alcalde Melo, Henrique
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-27742
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Schwarz, Harald
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2013
Date of final exam:2013/03/06
Release Date:2013/03/25
Tag:Elektroauto; Passivhaus; Photovoltaik; Windkraftanlage; Wärmepumpe
Electric Vehicle; Heat Pump; Passive House; Photovoltaic; Wind Turbine
GND Keyword:Erneuerbare Energien; Kommunale Energieversorgung
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Leistungselektronik und Antriebssysteme
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Elektrische Maschinen und Antriebstechnik