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Rolle der Bioenergie im Strom- und
Wärmemarkt bis 2050 unter Einbeziehung
des zukünftigen Gebäudebestandes (Bio-
Strom-Wärme)
Förderkennzeichen: 03KB114
Ergebnis-Workshop (1. Teil Szenarien und Methodik)
Dr. Matthias Koch, Dr. Klaus Hennenberg,
Dr. Markus Haller und Dr. Tilman Hesse
Leipzig, den 17.04.2018
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Agenda
● Vorstellung der Projektziele und des Projektaufbaus
● Rahmendaten und Szenariendefinition
● Methodik der Modellierung
‒ Strommarktmodellierung mit „PowerFlex“
‒ Gebäudemodellierung mit „BuildingSTar“
‒ Kopplung der beiden Modelle
● Ergebnisse
‒ Entwicklung des Gebäudebestands und der Wärmenachfrage
‒ Allokation der Biomasse
‒ Rolle der Biomasse im Wärme- und Stromsektor
‒ Handlungsempfehlungen
Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
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Fragestellung und Zielsetzung
Fragestellung
● Ausgestaltung einer kostengünstigen und energieeffizienten Nutzung
von Biomasse im Strom- und Wärmemarkt (unter Berücksichtigung
der Nachfrage des Verkehrssektors)
Zielsetzung
● Modellgestützte Analyse der Rolle der energetischen Nutzung von
Biomasse im Strom- und Wärmemarkt in Deutschland in einem
Zeitraum von 2020 bis 2050
● Optimale Biomasseallokation in verschieden kombinierten Szenarien
Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
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Zentrale Forschungsfragen
● Wie sieht die optimale Biomasseallokation für einen kosteneffizienten
Klimaschutz aus: Flexibilitätsoption im Stromsektor oder
erneuerbarer Energieträger im Wärmesektor?
● Welche Wechselwirkungen ergeben sich zwischen dem Wärme- und
dem Stromsektor und welche Funktion nimmt die Biomasse dabei
ein?
● Wie sensitiv reagieren die Ergebnisse auf Parametervariationen (z.B.
Biomasseangebot, Wärmenachfrage)?
● Was ist ökonomisch und ökologisch vorteilhafter: Klimaschutz durch
Gebäudesanierung oder durch erneuerbare Wärme?
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Aufbau des Projekts
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Zeitplan
Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
2016 2017 2018
Kick-Off
11.10.2016
2. Workshop
AP1: Literaturrecherche
und Ableitung von
Szenarien
Mengengerüst und
Szenariodefinition
Startphase Modellierungsphase Kommunikation
Szenarienanalyse
AP2 und AP3: Modellweiterentwicklung,
Modellkopplung, Berechnung und
Auswertung
Diskussion der
Ergebnisse
Aufbereitung und
Veröffentlichung der
Ergebnisse
Abschlussbericht
3. WorkshopAbstimmungstreffen
Statuskonferenz
Bioenergie
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AP1: Literaturrecherche und Ableitung
von Szenarien
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Naturschutzszenarien (Nat)
Hohes Klimaschutzniveau und ein
aus naturschutzgründen
begrenztes Biomassepotenzial:
• Sensitivität
„Kohleschnellausstieg“ (Nat_KA)
Referenzszenarien (Ref)
Mittleres Klimaschutzniveau und ein
voll erschlossenes Biomassepotenzial:
• Sensitivität „verstärkte
Gebäudedämmung“ (Ref_WE)
Klimaschutzniveau
Biomassepotenzial
Szenariengerüst basierend aus KS80 / KS95 für die
Stützjahre 2020, 2030 und 2050
Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
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Bestimmung des Klimaschutzniveaus
Vorstellung Bio-Strom-Wärme│Koch & Hünecke & Hesse│Leipzig│11.10.2016
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Bestimmung des CO2-Budgets für die Strom- und
Wärmeerzeugung
Vorstellung Bio-Strom-Wärme│Koch & Hünecke & Hesse│Leipzig│11.10.2016
286 Mio. t
166 Mio. t
63 Mio. t
260 Mio. t
377 Mio. t
24 Mio. t
323 Mio. t
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Biomassepotenzial in Deutschland
Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
2015 2020 2030 2050
Anbaubiomasse 384 PJ 408 PJ 180 PJ, 360 PJ 0 PJ, 400 PJ
Anbaufläche
(Naturschutzszenarien,
Referenzszenarien)
2,4 Mio. ha 2,4 Mio. ha
1,0 Mio. ha,
2,0 Mio. ha
0 Mio. ha,
2,0 Mio. ha
Flächenertrag 160 GJ/ha 170 GJ/ha 180 GJ/ha 200 GJ/ha
Reststoffe 713 PJ 800 PJ 1.135 PJ 1.135 PJ
Feste Biomasse 504 PJ 570 PJ 880 PJ 880 PJ
Gasförmige Biomasse 80 PJ 100 PJ 155 PJ 155 PJ
Biogener Anteil im
Abfall 129 PJ 130 PJ 100 PJ 100 PJ
● Zunehmender Flächenertrag bei Anbaubiomasse
● Zunehmender Erschließungsgrad für Reststoffe
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Verteilung des Biomassepotenzial auf die Sektoren in
den Szenarien
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2020 2030 2050
Referenzszenarien
Verkehr 15% 20% 30%
Stoffliche Nutzung 0% 2% 5%
Strom- und
Wärmeerzeugung 85% 78% 65%
Naturschutzszenarien
Verkehr 15% 30% 70%
Stoffliche Nutzung 0% 4% 10%
Strom- und
Wärmeerzeugung 85% 66% 20%
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Für die Strom- und Wärmerzeugung frei allokierbares
Biomassepotenzial in den Szenarien
Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
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Für die Strom- und Wärmerzeugung frei allokierbares
Biomassepotenzial in den Szenarien
Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
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Entwicklung der Brennstoffpreise
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Parameter der Biomasse-Umwandlungstechnologien
für die Strom- und Wärmeerzeugung (Wärmenetze)
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2020 2030 2050
Holz HKW HKW IGCC / BZ
Elektr. Wirkungsgrad 27% 28% 40%
Therm. Wirkungsgrad 50% 45% 27%
Variable Kosten 4,4 €/MWhel 6,4 €/MWhel 1,9 €/MWhel
Biogas BHKW BHKW BZ
Elektr. Wirkungsgrad 38% 38% 57%
Therm. Wirkungsgrad 46% 42% 23%
Variable Kosten 11,4 €/MWhel 13,2 €/MWhel 5,9 €/MWhel
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Weitere übergeordnete Rahmendaten
● Korrelation zwischen Bevölkerung und Energienachfrage
‒ Stromnachfrage: Haushalte, GHD und Verkehr (aber nicht Industrie)
‒ Wärmenachfrage: Anzahl Haushalte (Raumwärme) und Warmwasser
● Anstieg der Bevölkerung um rund 5% bis 6% im Zeitraum 2020 bis
2050 im Vergleich zu den Annahmen in den Klimaschutzszenarien
KS80 / KS95 (2. Runde)
 Etwa 3% bis 4% höhere Stromnachfrage (12 TWh bis 20 TWh)
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AP2: Modellkopplung und Modell-
erweiterung
Strommarktmodellierung mit PowerFlex und
Gebäudesimulation mit Building STar
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Strommarktmodell PowerFlex
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Strommarktmodell PowerFlex
● Einsatzmodell für thermische Kraftwerke, fluktuierende erneuerbare
Energien, Speicher und Flexibilitätsoptionen
● Lineares Optimierungsproblem in stündlicher Auflösung
● Zielfunktion: Minimierung der
variablen Gesamtkosten
‒ Grenzkosten der thermischen
Kraftwerke
‒ Variable Speicherkosten
● Restriktionen:
Energiewirtschaftliche und
technische Nebenbedingungen
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Abb. 1: Exemplarische Darstellung der Merit Order des deutschen Kraftwerksparks
(Quelle: Öko-Institut e.V.)
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Modellerweiterung bei PowerFlex
● Sektorübergreifende Restriktionen
‒ Einhaltung des verfügbaren Angebots an Biomasse zur energetischen
Nutzung im Strom- und Wärmesektor („Biomasse-Cap“)
‒ Einhaltung des vorgegebenen CO2-Budgets für den Strom- und
Wärmesektor („CO2-Cap“)
● Berechnung der optimalen Biomasseallokation zwischen dem Strom-
und Wärmesektor
‒ Bilanzraum für Heizungssysteme in Gebäuden, die zum Austausch
anstehen (dezentrale Wärmeerzeugung)
‒ Bilanzraum für Nahwärmenetze
● Schnittstelle zur Kopplung mit dem Gebäudemodell „Buildung STar“
‒ Wärmebedarf der auszutauschenden Heizungs-Technologien
‒ Input-Parameter für Bestands-Technologien
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Modellvereinfachungen bei PowerFlex
● Sehr vereinfachte Berücksichtigung des europäischen Strommarkts
mit Hilfe einer jährlichen Import-Export Bilanz
‒ Vorteile:
● deutlich kürzere Rechenzeiten schaffen Freiraum für Kopplung mit dem
Gebäudemodell „Building STar“
● keine Möglichkeit für Carbon Leackage Effekte durch CO2-Cap in Deutschland
‒ Nachteile:
● ausgleichende Effekte durch den europäischen Kraftwerkspark in stündlicher
Auflösung werden ausgeblendet (v.a. Strompreise und EE-Überschüsse)
● Keine Netzrestriktionen in Deutschland
‒ Kombination von ganzjährigen Nebenbedingungen und Netzrestriktionen
ist modelltechnisch zu komplex
‒ Keine Netzdaten für 2050 verfügbar
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Vorgegebener Kraftwerkspark in allen Szenarien
● Ausgangspunkt ist der Kraftwerkspark des Jahres 2020 aus dem
Klimaschutzszenario KS80.
● Für die Jahre 2030 und 2050 gibt es keine Kernkraftwerke mehr.
Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
● Die installierte
Leistung von
Biomasse-HKW und
Biogas-BHKW ist so
groß gewählt, dass
das komplette
Biomasseangebot zur
Stromerzeugung
verwendet werden
könnte.
24
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Bewertung des Kraftwerksparkeinsatzes
● Brennstoffmix der Stromerzeugung
‒ Unter Einhaltung des „CO2-Caps“
● Maximal eingesetzte Leistung
● Brennstoffspezifische Volllaststunden
‒ Ex-post Betrachtung der Wirtschaftlichkeit
● Kapazitätslücke (Einsatz eines virtuellen Backup-Kraftwerks)
‒ Es fehlt CO2-freie Stromerzeugung: Importe oder EE-Zubau
 Abschätzung zur Stilllegung des fossilen Kraftwerksparks und zum
weiteren Zubau von Wind- und PV-Anlagen
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Wichtige Ergebnisindikatoren und Abbildungen
● Brennstoffmix der Stromerzeugung sowie der Nah- und
Fernwärmeerzeugung
‒ Jährliche Aggregation und im Szenarienvergleich
‒ Stündliche Auflösung je Szenario
● Brennstoffmix der dezentralen Wärmeerzeugung
‒ Für auszutauschende Heizungsanlagen
‒ Zuzüglich Heizungsanlagen im Bestand
● Einsatz und Allokation des verfügbaren Biomassepotenzials
● Maximale Leistung des steuerbaren Kraftwerksparks und der
resultierenden Volllaststunden
● CO2-Emissionen
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Gebäudemodell Building STar
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Ergebnisse (t + 1)
 Wohngebäudebestand
 Gebäudekenngrößen (Anzahl,
Leerstand, Wohnfläche,
Sanierungsstand…)
 Heizwärmebedarf
 Endenergie-/Primärenergie-
verbrauch nach Energieträgern
 CO2-Ausstoß
 (Kosten)
Start (t)
 Bestand Wohngebäude
 Gebäudehülle
 Energiebereitstellung
 Spezifische Wohnfläche
 Bestand Nicht-Wohngebäude
 Gebäudehülle
 Energiebereitstellung
Veränderung (t -> t + 1)
 Sanierungsrate
 Gebäudehülle
 Energiebereitstellung
 Neubaurate
 Abrissrate
 Wohnflächenbedarf bei WG
Start Veränderung Ergebnisse
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Building STar – Struktur
28
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Building STar – Details
● Modul Wohngebäude (WG): 6 Gebäudetypen (Anlehnung an TABULA)
● Modul Nicht-Wohngebäude (NWG): 6 Gebäudetypen (KliNeG)
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Wohngebäudetypen Nicht-Wohngebäudetypen
Einfamilienhäuser (EFH) Wohngebäude mit Mischnutzung (WM)
Zweifamilienhäuser (ZFH) Bildung, Büro und Verwaltung (BBV)
Reihenhäuser mit einer Wohn. (RH-1) Gewerbe, Industrie (GI)
Reihenhäuser mit zwei Wohn. (RH-2) Handel-/ Dienstleistung, Praxisgebäude (HDP)
Mehrfamilienhäuser (MFH) Beherbergung, Gastronomie, Kliniken (BGK)
Große Mehrfamilienhäuser (GMH) Sonstige (Sport, Kultur) (SK)
29
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Building STar – Details
● Parametrisierung zu 2009
● 16 Baualtersklassen (BAK; 10 historisch bis 2009 + 6 weitere bis 2050)
● Abbildung von Kohorten à 50 Häuser (200 oder 1.000)
 aktuelle Läufe mit 1.000
● Wichtige Parameter:
‒ Hüllfläche (DA, OG, AW, FB, FE/HT) und U-Werte je BAK
‒ Historische Dämmung & Dämmrestriktionen
‒ 5 Dämmintensitäten (Mindeststandard, E70, E55, E40, zukünftige Dämmstoffe)
‒ >80 Kombinationen von Heizanlagen (z.B. Gas zentral RW/WW+ Solar WW)
‒ Technologieoptionen (z.B. Pelletkessel, Scheitholzkessel, Hackschnitzelkessel,
Holzvergaser)
Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
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Building STar – Fortschreibungslogik
● „Fixe“ Änderungen, z.B.
‒ spez. Wohnflächenbedarf
‒ Abrissrate, Neubaurate
‒ Anteil Dämmintensität bei Neubau/Sanierung
‒ Länge von Reinvestitions-Zyklen
● Angabe von Entscheidungswahrscheinlichkeiten, z.B.
‒ Entscheidung für Dämmen
‒ Freigabe von Dämmrestriktionen
‒ Auswahl Heizenergie-Anlagenkombi
‒ Änderung des Energieträgers bei Sanierung
● Hintergrundparameter je Szenario, z.B.
‒ Emissionsfaktoren, Bevölkerung, Klima
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Sanierungsrate ist ein
Modellergebnis!
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Szenarien-Einstellungen
Was unterscheidet Naturschutz von Referenz?
● Reduzierung des spezifischen Wohnflächenbedarfs um
‒ 2020: 3%, 2030: 6%, 2040: 10%, 2050: 14%
● Stärkerer Anstieg der Abrissrate und Reduzierung der Neubaurate ab 2030
● Erhöhung Auswahlwahrscheinlichkeit für der höhere Dämmintensitäten
● Erhöhung der Entscheidungswahrscheinlichkeit für Dämmen
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Referenz Naturschutz
2020 2030 2050 2020 2030 2050
Voll 0,050 0,075 0,075 0,300 0,700 0,900
AW+FE/HT 0,050 0,075 0,075 0,300 0,700 0,900
AW 0,150 0,200 0,200 0,400 0,700 0,900
FE/HT 0,200 0,200 0,200 0,400 0,700 0,900
DA 0,300 0,350 0,350 0,500 0,750 0,900
OG 0,200 0,225 0,250 0,500 0,750 0,900
FB 0,200 0,225 0,250 0,500 0,750 0,900
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Szenarien-Einstellungen
Was unterscheidet Naturschutz von Referenz?
● Reduzierung des spezifischen Wohnflächenbedarfs um
‒ 2020: 3%, 2030: 6%, 2040: 10%, 2050: 14%
● Stärkerer Anstieg der Abrissrate und Reduzierung der Neubaurate ab 2030
● Erhöhung Auswahlwahrscheinlichkeit für der höhere Dämmintensitäten
● Erhöhung der Entscheidungswahrscheinlichkeit für Dämmen
● Verstärkte Freigabe von Dämmrestriktionen (Ästhetik, Überdämmung)
● Reduzierung der Auswahlwahrscheinlichkeit für fossile Energieträger
● Erhöhung der Entscheidungswahrscheinlichkeit für einen Energieträgerwechsel
bei Sanierung weg von fossilen Energieträgern
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Endenergieverbrauch und THG je Szenario
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Wohnfläche und Sanierungsrate
Referenz WG
Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
35
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Wohnfläche und Sanierungsrate
Naturschutz WG
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36
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Wohnfläche und Sanierungsrate
Referenz NWG
Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
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Wohnfläche und Sanierungsrate
Naturschutz NWG
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Wohnfläche und Sanierungsrate
Zusammenfassung
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WG
Nat
Ref
NWG
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Wohnfläche und Sanierungsrate
Referenz WG – vor Rückkopplung mit PowerFlex
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40
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Wohnfläche und Sanierungsrate
Naturschutz WG – vor Rückkopplung mit PowerFlex
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41
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Schnittstelle zwischen dem
Gebäudemodell Building STar und dem
Strommarktmodell PowerFlex
42
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Herausforderungen der Modellkopplung
Vorstellung Bio-Strom-Wärme│Koch & Hünecke & Hesse│Leipzig│11.10.2016
PowerFlex Building STar
Zeitliche Auflösung 1 h jährlich
Zeitspanne
1 Jahr,
drei Zeitscheiben
2009-2050
Energieträger Fast gleich, leicht anpassbar
Auflösung Heizanlagen Grobe Gruppen Sehr differenziert je Kohorte
Übertragung der
Jahreswerte aus BS
in hoch aufgelöste
Lastkurven in PF
„Einsammeln“ der
neuen Heizanlagen
zwischen den
Zeitscheiben,
Übergabe an PF
Optimierter Energieträgermix
aus PF
 Anpassung der
Heizanlagenkombinationen
in BS, bis Übereinstimmung
43
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Iteratives Vorgehen zur Modellkopplung für ein Stützjahr
● Building STar: Wie entwickelt sich die Wärmenachfrage und welche
Heizungstechnologien stehen zum Austausch an?
‒ Bestandsanlagen
● Biomasseverbrauch
● CO2-Emissionen
● PowerFlex: Brennstoff- und Technologie-Mix zur Deckung der
dezentralen Wärmenachfrage (Heizungen) und der Nachfrage nach
Nah- und Fernwärme unter Einhaltung des „Biomasse-Caps“ und des
„CO2-Caps“
● Building STar: Gebäudespezifischer Austausch der Heizungen unter
Berücksichtigung des vorgegebenen Technologie-Mix
Vorstellung Bio-Strom-Wärme│Koch & Hünecke & Hesse│Leipzig│11.10.2016
‒ Heizungstechnologien für Austausch
● Wärmenachfrage
● Leistungsgrenze für WP und Solarthermie
‒ Heizungstechnologien für Austausch
● Brennstoff- und Technologiemix zur
dezentralen Wärmebereitstellung
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Exemplarische Ergebnisse zur Modellrückkopplung in
BuildingSTar: Ref WG VOR/NACH Rückkopplung
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nach Rückkopplung
vor Rückkopplung
45
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Ihre Ansprechpartner
Dr. Matthias Koch
Senior Researcher
Öko-Institut e.V.
Energie & Klimaschutz
Geschäftsstelle Freiburg
Postfach 17 71
79017 Freiburg
Telefon: +49 761 45295-218
E-Mail: m.koch@oeko.de
Dr. Markus Haller
Senior Researcher
Öko-Institut e.V.
Energie & Klimaschutz
Geschäftsstelle Freiburg
Postfach 17 71
79017 Freiburg
Telefon: +49 761 45295-293
E-Mail: m.haller@oeko.de
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Ihre Ansprechpartner
Dr. Klaus Hennenberg
Senior Researcher
Öko-Institut e.V.
Energie & Klimaschutz
Büro Darmstadt
Rheinstraße 95
64295 Darmstadt
Telefon: +49 6151 8191-177
E-Mail: k.hennenberg@oeko.de
Dr. Tilman Hesse
Senior Researcher
Öko-Institut e.V.
Energie & Klimaschutz
Geschäftsstelle Freiburg
Postfach 17 71
79017 Freiburg
Telefon: +49 761 45295-287
E-Mail: t.hesse@oeko.de
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Rolle der Bioenergie im Strom- und Wärmemarkt bis 2050 unter Einbeziehung des zukünftigen Gebäudebestandes (Bio-Strom-Wärme)

  • 1. www.oeko.de Rolle der Bioenergie im Strom- und Wärmemarkt bis 2050 unter Einbeziehung des zukünftigen Gebäudebestandes (Bio- Strom-Wärme) Förderkennzeichen: 03KB114 Ergebnis-Workshop (1. Teil Szenarien und Methodik) Dr. Matthias Koch, Dr. Klaus Hennenberg, Dr. Markus Haller und Dr. Tilman Hesse Leipzig, den 17.04.2018
  • 2. 2 www.oeko.de Agenda ● Vorstellung der Projektziele und des Projektaufbaus ● Rahmendaten und Szenariendefinition ● Methodik der Modellierung ‒ Strommarktmodellierung mit „PowerFlex“ ‒ Gebäudemodellierung mit „BuildingSTar“ ‒ Kopplung der beiden Modelle ● Ergebnisse ‒ Entwicklung des Gebäudebestands und der Wärmenachfrage ‒ Allokation der Biomasse ‒ Rolle der Biomasse im Wärme- und Stromsektor ‒ Handlungsempfehlungen Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 3. 3 www.oeko.de Fragestellung und Zielsetzung Fragestellung ● Ausgestaltung einer kostengünstigen und energieeffizienten Nutzung von Biomasse im Strom- und Wärmemarkt (unter Berücksichtigung der Nachfrage des Verkehrssektors) Zielsetzung ● Modellgestützte Analyse der Rolle der energetischen Nutzung von Biomasse im Strom- und Wärmemarkt in Deutschland in einem Zeitraum von 2020 bis 2050 ● Optimale Biomasseallokation in verschieden kombinierten Szenarien Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 4. 4 www.oeko.de Zentrale Forschungsfragen ● Wie sieht die optimale Biomasseallokation für einen kosteneffizienten Klimaschutz aus: Flexibilitätsoption im Stromsektor oder erneuerbarer Energieträger im Wärmesektor? ● Welche Wechselwirkungen ergeben sich zwischen dem Wärme- und dem Stromsektor und welche Funktion nimmt die Biomasse dabei ein? ● Wie sensitiv reagieren die Ergebnisse auf Parametervariationen (z.B. Biomasseangebot, Wärmenachfrage)? ● Was ist ökonomisch und ökologisch vorteilhafter: Klimaschutz durch Gebäudesanierung oder durch erneuerbare Wärme? Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 5. 5 www.oeko.de Aufbau des Projekts Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 6. 6 www.oeko.de Zeitplan Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018 2016 2017 2018 Kick-Off 11.10.2016 2. Workshop AP1: Literaturrecherche und Ableitung von Szenarien Mengengerüst und Szenariodefinition Startphase Modellierungsphase Kommunikation Szenarienanalyse AP2 und AP3: Modellweiterentwicklung, Modellkopplung, Berechnung und Auswertung Diskussion der Ergebnisse Aufbereitung und Veröffentlichung der Ergebnisse Abschlussbericht 3. WorkshopAbstimmungstreffen Statuskonferenz Bioenergie
  • 8. 8 www.oeko.de Naturschutzszenarien (Nat) Hohes Klimaschutzniveau und ein aus naturschutzgründen begrenztes Biomassepotenzial: • Sensitivität „Kohleschnellausstieg“ (Nat_KA) Referenzszenarien (Ref) Mittleres Klimaschutzniveau und ein voll erschlossenes Biomassepotenzial: • Sensitivität „verstärkte Gebäudedämmung“ (Ref_WE) Klimaschutzniveau Biomassepotenzial Szenariengerüst basierend aus KS80 / KS95 für die Stützjahre 2020, 2030 und 2050 Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 9. 9 www.oeko.de Bestimmung des Klimaschutzniveaus Vorstellung Bio-Strom-Wärme│Koch & Hünecke & Hesse│Leipzig│11.10.2016
  • 10. 10 www.oeko.de Bestimmung des CO2-Budgets für die Strom- und Wärmeerzeugung Vorstellung Bio-Strom-Wärme│Koch & Hünecke & Hesse│Leipzig│11.10.2016 286 Mio. t 166 Mio. t 63 Mio. t 260 Mio. t 377 Mio. t 24 Mio. t 323 Mio. t
  • 11. 11 www.oeko.de Biomassepotenzial in Deutschland Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018 2015 2020 2030 2050 Anbaubiomasse 384 PJ 408 PJ 180 PJ, 360 PJ 0 PJ, 400 PJ Anbaufläche (Naturschutzszenarien, Referenzszenarien) 2,4 Mio. ha 2,4 Mio. ha 1,0 Mio. ha, 2,0 Mio. ha 0 Mio. ha, 2,0 Mio. ha Flächenertrag 160 GJ/ha 170 GJ/ha 180 GJ/ha 200 GJ/ha Reststoffe 713 PJ 800 PJ 1.135 PJ 1.135 PJ Feste Biomasse 504 PJ 570 PJ 880 PJ 880 PJ Gasförmige Biomasse 80 PJ 100 PJ 155 PJ 155 PJ Biogener Anteil im Abfall 129 PJ 130 PJ 100 PJ 100 PJ ● Zunehmender Flächenertrag bei Anbaubiomasse ● Zunehmender Erschließungsgrad für Reststoffe
  • 12. 12 www.oeko.de Verteilung des Biomassepotenzial auf die Sektoren in den Szenarien Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018 2020 2030 2050 Referenzszenarien Verkehr 15% 20% 30% Stoffliche Nutzung 0% 2% 5% Strom- und Wärmeerzeugung 85% 78% 65% Naturschutzszenarien Verkehr 15% 30% 70% Stoffliche Nutzung 0% 4% 10% Strom- und Wärmeerzeugung 85% 66% 20%
  • 13. 13 www.oeko.de Für die Strom- und Wärmerzeugung frei allokierbares Biomassepotenzial in den Szenarien Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 14. 14 www.oeko.de Für die Strom- und Wärmerzeugung frei allokierbares Biomassepotenzial in den Szenarien Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 15. 15 www.oeko.de Entwicklung der Brennstoffpreise Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 16. 16 www.oeko.de Parameter der Biomasse-Umwandlungstechnologien für die Strom- und Wärmeerzeugung (Wärmenetze) Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018 2020 2030 2050 Holz HKW HKW IGCC / BZ Elektr. Wirkungsgrad 27% 28% 40% Therm. Wirkungsgrad 50% 45% 27% Variable Kosten 4,4 €/MWhel 6,4 €/MWhel 1,9 €/MWhel Biogas BHKW BHKW BZ Elektr. Wirkungsgrad 38% 38% 57% Therm. Wirkungsgrad 46% 42% 23% Variable Kosten 11,4 €/MWhel 13,2 €/MWhel 5,9 €/MWhel
  • 17. 17 www.oeko.de Weitere übergeordnete Rahmendaten ● Korrelation zwischen Bevölkerung und Energienachfrage ‒ Stromnachfrage: Haushalte, GHD und Verkehr (aber nicht Industrie) ‒ Wärmenachfrage: Anzahl Haushalte (Raumwärme) und Warmwasser ● Anstieg der Bevölkerung um rund 5% bis 6% im Zeitraum 2020 bis 2050 im Vergleich zu den Annahmen in den Klimaschutzszenarien KS80 / KS95 (2. Runde)  Etwa 3% bis 4% höhere Stromnachfrage (12 TWh bis 20 TWh) Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 18. 18 www.oeko.de AP2: Modellkopplung und Modell- erweiterung Strommarktmodellierung mit PowerFlex und Gebäudesimulation mit Building STar
  • 20. 20 www.oeko.de Strommarktmodell PowerFlex ● Einsatzmodell für thermische Kraftwerke, fluktuierende erneuerbare Energien, Speicher und Flexibilitätsoptionen ● Lineares Optimierungsproblem in stündlicher Auflösung ● Zielfunktion: Minimierung der variablen Gesamtkosten ‒ Grenzkosten der thermischen Kraftwerke ‒ Variable Speicherkosten ● Restriktionen: Energiewirtschaftliche und technische Nebenbedingungen Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018 Abb. 1: Exemplarische Darstellung der Merit Order des deutschen Kraftwerksparks (Quelle: Öko-Institut e.V.)
  • 21. 21 www.oeko.de Modellerweiterung bei PowerFlex ● Sektorübergreifende Restriktionen ‒ Einhaltung des verfügbaren Angebots an Biomasse zur energetischen Nutzung im Strom- und Wärmesektor („Biomasse-Cap“) ‒ Einhaltung des vorgegebenen CO2-Budgets für den Strom- und Wärmesektor („CO2-Cap“) ● Berechnung der optimalen Biomasseallokation zwischen dem Strom- und Wärmesektor ‒ Bilanzraum für Heizungssysteme in Gebäuden, die zum Austausch anstehen (dezentrale Wärmeerzeugung) ‒ Bilanzraum für Nahwärmenetze ● Schnittstelle zur Kopplung mit dem Gebäudemodell „Buildung STar“ ‒ Wärmebedarf der auszutauschenden Heizungs-Technologien ‒ Input-Parameter für Bestands-Technologien Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 22. 22 www.oeko.de Modellvereinfachungen bei PowerFlex ● Sehr vereinfachte Berücksichtigung des europäischen Strommarkts mit Hilfe einer jährlichen Import-Export Bilanz ‒ Vorteile: ● deutlich kürzere Rechenzeiten schaffen Freiraum für Kopplung mit dem Gebäudemodell „Building STar“ ● keine Möglichkeit für Carbon Leackage Effekte durch CO2-Cap in Deutschland ‒ Nachteile: ● ausgleichende Effekte durch den europäischen Kraftwerkspark in stündlicher Auflösung werden ausgeblendet (v.a. Strompreise und EE-Überschüsse) ● Keine Netzrestriktionen in Deutschland ‒ Kombination von ganzjährigen Nebenbedingungen und Netzrestriktionen ist modelltechnisch zu komplex ‒ Keine Netzdaten für 2050 verfügbar Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 23. 23 www.oeko.de Vorgegebener Kraftwerkspark in allen Szenarien ● Ausgangspunkt ist der Kraftwerkspark des Jahres 2020 aus dem Klimaschutzszenario KS80. ● Für die Jahre 2030 und 2050 gibt es keine Kernkraftwerke mehr. Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018 ● Die installierte Leistung von Biomasse-HKW und Biogas-BHKW ist so groß gewählt, dass das komplette Biomasseangebot zur Stromerzeugung verwendet werden könnte.
  • 24. 24 www.oeko.de Bewertung des Kraftwerksparkeinsatzes ● Brennstoffmix der Stromerzeugung ‒ Unter Einhaltung des „CO2-Caps“ ● Maximal eingesetzte Leistung ● Brennstoffspezifische Volllaststunden ‒ Ex-post Betrachtung der Wirtschaftlichkeit ● Kapazitätslücke (Einsatz eines virtuellen Backup-Kraftwerks) ‒ Es fehlt CO2-freie Stromerzeugung: Importe oder EE-Zubau  Abschätzung zur Stilllegung des fossilen Kraftwerksparks und zum weiteren Zubau von Wind- und PV-Anlagen Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 25. 25 www.oeko.de Wichtige Ergebnisindikatoren und Abbildungen ● Brennstoffmix der Stromerzeugung sowie der Nah- und Fernwärmeerzeugung ‒ Jährliche Aggregation und im Szenarienvergleich ‒ Stündliche Auflösung je Szenario ● Brennstoffmix der dezentralen Wärmeerzeugung ‒ Für auszutauschende Heizungsanlagen ‒ Zuzüglich Heizungsanlagen im Bestand ● Einsatz und Allokation des verfügbaren Biomassepotenzials ● Maximale Leistung des steuerbaren Kraftwerksparks und der resultierenden Volllaststunden ● CO2-Emissionen Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 27. 27 www.oeko.de Ergebnisse (t + 1)  Wohngebäudebestand  Gebäudekenngrößen (Anzahl, Leerstand, Wohnfläche, Sanierungsstand…)  Heizwärmebedarf  Endenergie-/Primärenergie- verbrauch nach Energieträgern  CO2-Ausstoß  (Kosten) Start (t)  Bestand Wohngebäude  Gebäudehülle  Energiebereitstellung  Spezifische Wohnfläche  Bestand Nicht-Wohngebäude  Gebäudehülle  Energiebereitstellung Veränderung (t -> t + 1)  Sanierungsrate  Gebäudehülle  Energiebereitstellung  Neubaurate  Abrissrate  Wohnflächenbedarf bei WG Start Veränderung Ergebnisse Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018 Building STar – Struktur
  • 28. 28 www.oeko.de Building STar – Details ● Modul Wohngebäude (WG): 6 Gebäudetypen (Anlehnung an TABULA) ● Modul Nicht-Wohngebäude (NWG): 6 Gebäudetypen (KliNeG) Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018 Wohngebäudetypen Nicht-Wohngebäudetypen Einfamilienhäuser (EFH) Wohngebäude mit Mischnutzung (WM) Zweifamilienhäuser (ZFH) Bildung, Büro und Verwaltung (BBV) Reihenhäuser mit einer Wohn. (RH-1) Gewerbe, Industrie (GI) Reihenhäuser mit zwei Wohn. (RH-2) Handel-/ Dienstleistung, Praxisgebäude (HDP) Mehrfamilienhäuser (MFH) Beherbergung, Gastronomie, Kliniken (BGK) Große Mehrfamilienhäuser (GMH) Sonstige (Sport, Kultur) (SK)
  • 29. 29 www.oeko.de Building STar – Details ● Parametrisierung zu 2009 ● 16 Baualtersklassen (BAK; 10 historisch bis 2009 + 6 weitere bis 2050) ● Abbildung von Kohorten à 50 Häuser (200 oder 1.000)  aktuelle Läufe mit 1.000 ● Wichtige Parameter: ‒ Hüllfläche (DA, OG, AW, FB, FE/HT) und U-Werte je BAK ‒ Historische Dämmung & Dämmrestriktionen ‒ 5 Dämmintensitäten (Mindeststandard, E70, E55, E40, zukünftige Dämmstoffe) ‒ >80 Kombinationen von Heizanlagen (z.B. Gas zentral RW/WW+ Solar WW) ‒ Technologieoptionen (z.B. Pelletkessel, Scheitholzkessel, Hackschnitzelkessel, Holzvergaser) Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 30. 30 www.oeko.de Building STar – Fortschreibungslogik ● „Fixe“ Änderungen, z.B. ‒ spez. Wohnflächenbedarf ‒ Abrissrate, Neubaurate ‒ Anteil Dämmintensität bei Neubau/Sanierung ‒ Länge von Reinvestitions-Zyklen ● Angabe von Entscheidungswahrscheinlichkeiten, z.B. ‒ Entscheidung für Dämmen ‒ Freigabe von Dämmrestriktionen ‒ Auswahl Heizenergie-Anlagenkombi ‒ Änderung des Energieträgers bei Sanierung ● Hintergrundparameter je Szenario, z.B. ‒ Emissionsfaktoren, Bevölkerung, Klima Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018 Sanierungsrate ist ein Modellergebnis!
  • 31. 31 www.oeko.de Szenarien-Einstellungen Was unterscheidet Naturschutz von Referenz? ● Reduzierung des spezifischen Wohnflächenbedarfs um ‒ 2020: 3%, 2030: 6%, 2040: 10%, 2050: 14% ● Stärkerer Anstieg der Abrissrate und Reduzierung der Neubaurate ab 2030 ● Erhöhung Auswahlwahrscheinlichkeit für der höhere Dämmintensitäten ● Erhöhung der Entscheidungswahrscheinlichkeit für Dämmen Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018 Referenz Naturschutz 2020 2030 2050 2020 2030 2050 Voll 0,050 0,075 0,075 0,300 0,700 0,900 AW+FE/HT 0,050 0,075 0,075 0,300 0,700 0,900 AW 0,150 0,200 0,200 0,400 0,700 0,900 FE/HT 0,200 0,200 0,200 0,400 0,700 0,900 DA 0,300 0,350 0,350 0,500 0,750 0,900 OG 0,200 0,225 0,250 0,500 0,750 0,900 FB 0,200 0,225 0,250 0,500 0,750 0,900
  • 32. 32 www.oeko.de Szenarien-Einstellungen Was unterscheidet Naturschutz von Referenz? ● Reduzierung des spezifischen Wohnflächenbedarfs um ‒ 2020: 3%, 2030: 6%, 2040: 10%, 2050: 14% ● Stärkerer Anstieg der Abrissrate und Reduzierung der Neubaurate ab 2030 ● Erhöhung Auswahlwahrscheinlichkeit für der höhere Dämmintensitäten ● Erhöhung der Entscheidungswahrscheinlichkeit für Dämmen ● Verstärkte Freigabe von Dämmrestriktionen (Ästhetik, Überdämmung) ● Reduzierung der Auswahlwahrscheinlichkeit für fossile Energieträger ● Erhöhung der Entscheidungswahrscheinlichkeit für einen Energieträgerwechsel bei Sanierung weg von fossilen Energieträgern Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 33. 33 www.oeko.de Endenergieverbrauch und THG je Szenario Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 34. 34 www.oeko.de Wohnfläche und Sanierungsrate Referenz WG Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 35. 35 www.oeko.de Wohnfläche und Sanierungsrate Naturschutz WG Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 36. 36 www.oeko.de Wohnfläche und Sanierungsrate Referenz NWG Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 37. 37 www.oeko.de Wohnfläche und Sanierungsrate Naturschutz NWG Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 38. 38 www.oeko.de Wohnfläche und Sanierungsrate Zusammenfassung Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018 WG Nat Ref NWG
  • 39. 39 www.oeko.de Wohnfläche und Sanierungsrate Referenz WG – vor Rückkopplung mit PowerFlex Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 40. 40 www.oeko.de Wohnfläche und Sanierungsrate Naturschutz WG – vor Rückkopplung mit PowerFlex Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 41. 41 www.oeko.de Schnittstelle zwischen dem Gebäudemodell Building STar und dem Strommarktmodell PowerFlex
  • 42. 42 www.oeko.de Herausforderungen der Modellkopplung Vorstellung Bio-Strom-Wärme│Koch & Hünecke & Hesse│Leipzig│11.10.2016 PowerFlex Building STar Zeitliche Auflösung 1 h jährlich Zeitspanne 1 Jahr, drei Zeitscheiben 2009-2050 Energieträger Fast gleich, leicht anpassbar Auflösung Heizanlagen Grobe Gruppen Sehr differenziert je Kohorte Übertragung der Jahreswerte aus BS in hoch aufgelöste Lastkurven in PF „Einsammeln“ der neuen Heizanlagen zwischen den Zeitscheiben, Übergabe an PF Optimierter Energieträgermix aus PF  Anpassung der Heizanlagenkombinationen in BS, bis Übereinstimmung
  • 43. 43 www.oeko.de Iteratives Vorgehen zur Modellkopplung für ein Stützjahr ● Building STar: Wie entwickelt sich die Wärmenachfrage und welche Heizungstechnologien stehen zum Austausch an? ‒ Bestandsanlagen ● Biomasseverbrauch ● CO2-Emissionen ● PowerFlex: Brennstoff- und Technologie-Mix zur Deckung der dezentralen Wärmenachfrage (Heizungen) und der Nachfrage nach Nah- und Fernwärme unter Einhaltung des „Biomasse-Caps“ und des „CO2-Caps“ ● Building STar: Gebäudespezifischer Austausch der Heizungen unter Berücksichtigung des vorgegebenen Technologie-Mix Vorstellung Bio-Strom-Wärme│Koch & Hünecke & Hesse│Leipzig│11.10.2016 ‒ Heizungstechnologien für Austausch ● Wärmenachfrage ● Leistungsgrenze für WP und Solarthermie ‒ Heizungstechnologien für Austausch ● Brennstoff- und Technologiemix zur dezentralen Wärmebereitstellung
  • 44. 44 www.oeko.de Exemplarische Ergebnisse zur Modellrückkopplung in BuildingSTar: Ref WG VOR/NACH Rückkopplung Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018 nach Rückkopplung vor Rückkopplung
  • 45. 45 www.oeko.de Ihre Ansprechpartner Dr. Matthias Koch Senior Researcher Öko-Institut e.V. Energie & Klimaschutz Geschäftsstelle Freiburg Postfach 17 71 79017 Freiburg Telefon: +49 761 45295-218 E-Mail: m.koch@oeko.de Dr. Markus Haller Senior Researcher Öko-Institut e.V. Energie & Klimaschutz Geschäftsstelle Freiburg Postfach 17 71 79017 Freiburg Telefon: +49 761 45295-293 E-Mail: m.haller@oeko.de Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018
  • 46. 46 www.oeko.de Ihre Ansprechpartner Dr. Klaus Hennenberg Senior Researcher Öko-Institut e.V. Energie & Klimaschutz Büro Darmstadt Rheinstraße 95 64295 Darmstadt Telefon: +49 6151 8191-177 E-Mail: k.hennenberg@oeko.de Dr. Tilman Hesse Senior Researcher Öko-Institut e.V. Energie & Klimaschutz Geschäftsstelle Freiburg Postfach 17 71 79017 Freiburg Telefon: +49 761 45295-287 E-Mail: t.hesse@oeko.de Ergebnisvorstellung Projekt „Bio-Strom-Wärme“│Leipzig│17.04.2018