H2-Wissensraum: Energie-Auslegungstool für Privathaushalte

Der Einfluss von Wasserstoff als Energiespeicher wird zunehmend an Bedeutung gewinnen. Noch ist der Einsatz in Privathaushalten stark abhängig von den gegebenen Randbedingungen und kommt daher nur vereinzelt zur Anwendung. Mit unseren Erfahrungen aus diversen Projekten für Industriepartner und die Gemeinde Nebelschütz in der Oberlausitz konnten wir eine umfangreiche Bibliothek zur Planung derartiger Energiespeicheranlagen entwickeln. Diese ermöglicht die automatisierte technische Auslegung von Energiespeichern mit Wasserstoff und auch von Akkuspeichern sowie eine anschließende ökonomische Bewertung. Wir betrachten dabei die gesamte Kette – von der Ermittlung der Verbraucher sowie der Potentiale aus Photovoltaik und Windkraft über die Dimensionierung bis hin zur Berechnung des jeweiligen Speichers. Wir ermitteln die vorliegenden Randbedingungen und entwickeln eine passende Lösung für das jeweilige Projekt. 

Um dieses Wissen auch für Privathaushalte leichter zur Verfügung zu stellen, bieten wir mit ARON (Automated Renewable hOmepower Network) ein kostenloses Auslegungstool für Einfamilienhäuser an, dessen Bedienung im Folgenden erläutert wird. Dieses Tool dient lediglich zur Abschätzung der möglichen Energiemengen sowie einer wirtschaftlichen Abschätzung der Anlage. Es ersetzt in keinem Fall ein Angebot oder eine Beratung eines Fachbetriebs.

Die Berechnungen basieren stets auf den Werten eines »typischen meteorologischen Jahres« (kurz TMY), die vom PVGIS-TOOL der Europäischen Union bereitgestellt werden. Dazu müssen zunächst die Koordinaten und die Höhe des Standorts des Einfamilienhauses eingegeben werden (Schritt 1 im Eingabefenster).

Die Photovoltaik-Anlage (kurz PV) wird im nächsten Bereich definiert (Schritt 2 im Eingabefenster). Jedes Modul wird durch seine maximale Leistung, die Ausrichtung in der jeweiligen Himmelsrichtung [Süd – S (180°), Ost – O (90°), West – W (270°), SO – Süd Ost (135°), SSO – Süd Süd Ost (157,5°) etc.] und seinem Anstellwinkel definiert (0° - horizontal, 90°- senkrecht etc.). Weitere Module können durch Aktivierung des Kontrollkästchens hinzugefügt werden. Die insgesamt maximal zulässige Leistung sind 30 kWp.

Zuletzt geben Sie die Investitionskosten für Ihre PV-Anlage ein sowie die Vergütung für eine rückgespeiste Kilowattstunde. Der Inflationswert beschreibt die mögliche jährliche Steigerung auf diese Vergütung. Sollten Sie keine Vergütung erhalten, setzen Sie beide Werte auf Null. Für die Investitionskosten sollten Sie unbedingt etwaige Förderungen der KfW, des BMWK oder der SAB in Betracht ziehen und selbständig von der Investitionssumme abziehen. Um das Photovoltaikpotential Ihres Haushalts zu ermitteln, können Sie diesen für Ihr Objekt (nur für Sachsen) im Solarkataster der SAENA einfach prüfen.

Der Stromverbrauch Ihres Haushalts wird im nächsten Bereich bestimmt. Dazu geben Sie Ihren Jahresstromverbrauch sowie Ihren aktuellen Hausstromtarif pro Kilowattstunde und die schätzungsweise jährliche Kostensteigerung (Inflation) auf diesen Tarif hier ein (Schritt 3 im Eingabefenster). Falls sie bereits eine Wärmepumpe installiert haben, wird der Verbrauch gesondert im nächsten Abschnitt berechnet. Dieser kann hier abgezogen werden.

Die optionale Berechnung einer Wärmepumpe kann im nächsten Bereich durch einen Haken in dem Kontrollkästchen aktiviert werden (Schritt 4 im Eingabefenster). Dazu sind mehrere Angaben zu Ihrem Haus und Ihrer Heizung notwendig. Geben Sie die Leistung Ihrer Heizung (maximal 30 kW), den gewünschten Wärmepumpentyp und den Sanierungsstand Ihres Hauses (z.B. KfW 85 – 15 % besser gedämmtes Haus als das von der KfW definierte Referenzgebäude) an. Anschließend werden der Jahreswärmeverbrauch (maximal 60 MWh) und der Heizungskörpertyp abgefragt. Die Angabe der Anzahl der Personen im Haushalt ist erforderlich, um den Warmwasserverbrauch abzuschätzen. Zuletzt werden die Investitionskosten, die bisherigen Wärmekosten mit dem aktuellen Heizungssystem, sowie die jährliche Inflationsrate auf die bisherige Wärmequelle eingegeben. Berücksichtigen Sie auch hier eventuelle Förderungen.

Die Akkuberechnung kann ebenfalls über das Kontrollkästchen aktiviert werden (Schritt 5 im Eingabefenster). Die Akkukapazität (maximal 30 kWh) und die Investitionskosten sind die einzigen notwendigen Angaben für die Berechnung. Die Akkugröße kann auch automatisch berechnet werden, wenn das entsprechende Kontrollkästchen aktiviert ist. Auch hier sind Förderungen möglich.

Zuletzt wird im letzten Bereich (Schritt 6 im Eingabefenster) die Berechnung durch den entsprechenden Knopf gestartet. Um alle Investitionskosten abschätzen zu lassen, kann der Button »Kosten schätzen« betätigt werden. Bei fehlerhaften Eingaben werden die Werte automatisch aktualisiert und links auch auf die falschen Felder hingewiesen.

Im Auswertefenster werden die wichtigsten Ergebnisse anhand von Diagrammen beziehungsweise einer kurzen Zusammenfassung dargestellt. 

Link zum Auslegungstool

Da die Software als kostenloses Demonstrationstool herausgeben wird, kann leider kein vollständiger Support bereit gestellt werden. Wir sind bemüht alle Anfragen zu beantworten. 

Dieses Tool benötigt ein Windows -Betriebssystem und einen Bildschirm mit HD Auflösung. 

Die Darstellung der Schrift ist für 100 % Skalierung eingestellt. (Windows Einstellungen / Bildschirm / Skalierung und Anordnung / 100 % (empfohlen))

Dieses Tool dient lediglich zur Abschätzung der möglichen Energiemengen, sowie einer wirtschaftlichen Abschätzung der Anlage. Sie ersetzt in keinem Fall ein Angebot oder die Beratung eines Fachbetriebs. Die Größe der Anwendung liegt an den genutzten Bibliotheken und dem Export von Python in eine ausführbare Datei. 

Version v.015

Als Grundlage dienen Daten von PVGIS-Tool, die über eine Schnittstelle Daten für den jeweiligen Standort beziehen. Alle Berechnungen basieren auf den Einstrahlungswerten und Temperaturdaten für ein typisches meteorologisches Jahr. Das bedeutet, sowohl positivere als auch schlechtere Jahre sind für die definierte Anlage möglich. Alle Berechnungen gehen auf stundenbasierte Werte zurück, die zur Veranschaulichung als Monatswerte zusammengefasst werden.

Die Photovoltaikanlage wird mit Modulen aus der pvlib-Bibliothek errechnet.

Zur Berechnung des Jahresverbrauchs dienen BDEW-Profile für Haushalte, die anhand des Jahresverbrauchs skaliert werden [1].

Die Bivalenzkurve wird vereinfacht linear von 100 % Heizleistung bei -15 °C bis 0% bei 20 °C angenommen. Der Bivalenzpunkt liegt bei 70% der Nennleistung. Weiterhin wird die Berechnung der Wärmepumpe mit im Diagramm dargestellten COP-Kurven durchgeführt. Die Einordung des Heizkörpersystems und des Sanierungsstands des Gebäudes erfolgt mit verschiedenen angenommenen Heizkurven und deren K-Faktoren (siehe nachfolgender Matrix):

Zusätzlich werden die täglichen Heizprofile anhand von Standardlastprofilen für den täglichen Wärmebedarf berechnet [2]. Für jede Person im Haushalt wird ein täglicher Warmwasserbedarf von 1,8 kWh angenommen.

Folgende Python-Bibliotheken werden benutzt: pvlib, pandas, numpy, matplotlib, scipy, tkinter.

Referenzen:

1. R. T. Dr. C. Fünfgeld, »BDEW Standardlastprofile Strom« [Online]. Available: https://www.bdew.de/energie/standardlastprofile-strom. [Zugriff am 04.09.2023].
2. O. Ruhnau, L. Hirth, A. Praktiknjo »Time series of heat demand and heat pump efficiency for energy system modeling«, 2019, www.Nature.com/scientificdata

Versionshinweis:

Die neue Version fixt einige Probleme, die das Starten der Datei verhindert hat. Außerdem sind die Berechnung für KfW 115 Häuser und Altbauhäuser, sowie Kombinationen ohne Wärmepumpe oder Batteriespeicher nun möglich.
Vielen Dank für das reichliche Feedback.
Wir sind bemüht Probleme und Fehler in zukünftigen Versionen zu beheben.