Eine Software zur Optimierung von Energiesystemen sollte unter anderem Energiekosten, Umweltemissionen und Autarkie berücksichtigen. Dabei aber sowohl auf kleine Energiemodelle, wie Wohnungen, als auch auf große Modelle, wie Kommunen, anwendbar sein.
Das Softwaretool FINEconcepts setzt genau an diesen Punkten an. So ermöglicht es unter anderem die Klärung und Bilanzierung folgender Fragen:
Damit sind Sie eingeladen, sich mehr Informationen über die Software anzuschauen, die Demo auszuprobieren, sich Praxisbeispiele in der Form von Publikationen durchzulesen oder sich einfach mit Ihren Fragen an die Ansprechpersonen dieses Projekts zu wenden.
Die im Zuge des Forschungsprojekts "GREEN" entwickelte Software FINEconcepts dient dazu, ein Energiesystem zu modellieren, um dieses dann durch Veränderung der Parameter zu optimieren. Dabei kann das Energiesystem alles, von einem kleinen Haushalt, über ein Unternehmen, bis hin zu einer ganzen Kommune sein. Die Optimierung erfolgt dabei auf Basis der jährlichen Kosten und bezieht technoökonomische und ökologische Parameter mit ein.
Entscheidend hierfür ist die zeit- und raumdiskrete individuelle Analyse des Energiesystems. Dafür werden sowohl spezifische Lastgänge der einzelnen, verbrauchenden Komponenten, als auch individuelle Ertragsgänge der verschiedenen Quellen des Systems genutzt. Wird im Energiesystem also Energie aus einer dynamischen (zeitvariablen) Quelle bezogen, so wird diese Quelle mittels eines stündlich-aufgelösten Ertragsgangs simuliert, dessen Daten repräsentativ für kommende Jahre angenommen werden können. Alternative Ertragsgänge mittels geeigneter Prognoseverfahren sind möglich. Im Fall einer Photovoltaikanlage im Energiesystem werden hierfür Einstrahlungsdaten aus den letzten Jahren standortspezifisch bezogen (Datenbasis: SARAH-2). Wirkungsgrade der einzelnen Systemkomponenten werden für Energiewandlungs- und Energietransportprozesse ebenfalls berücksichtig, was vor allem bei der Modellierung von standortübergreifenden Energiesystemen wie beispielsweise Kommunen eine Rolle zur Bilanzierung spielt.
Um eine adäquate Kostenkalkulation zu gewährleisten werden zudem CapEx (engl. Capital Expenses - Investitionsausgaben) und OpEx (engl. Operating Expenses - Betriebskosten) jeder einzelnen Systemkomponente berücksichtigt. Hierbei können auch Kosten berücksichtigt werden, welche durch anfallende Emissionen entstehen. Um dies zu ermöglichen kann der Emissionswert entsprechender Emissionsarten jeder Komponente erfasst werden. Dies ermöglicht es neben der Energie- und Kostenbilanzierung auch Umwelteinflüsse darzustellen und diese durch Variation einzelnen Parameter zu optimieren.
Als Ergebnis der Modellierung, Berechnung und Optimierung kann mittels der Software der komplette Energie- und Materialfluss des Systems, die installierten Kapazitäten und die Kosten jeder einzelnen Komponente ausgelesen werden. Zusätzlich lassen sich dadurch grafische Auswertungen einzelnen Komponenten wie zum Beispiel Lade- und Entladekurven von Speichermedien abbilden.
In vollem Funktionsumfang ist es also möglich Energiesysteme partizipativ und interaktiv zu modellieren und verschiedene Szenarien zu erschaffen die es erlauben unter unterschiedlichen Gesichtspunkten die optimale Zusammenstellung von Komponenten aufzuzeigen.
Die Ergebnisse der Software FINEconcepts geben dem Anwendenden keine exakten Kenntnisse über die dessen Ausgaben oder Gewinne in den kommenden Jahren, da vor allem das Wetter, als eine von vielen Variablen, zu wechselhaft ist, um genaue Kostenvorhersagen zu treffen. Auch die Energiekosten bzw. die Investitionskosten für neue Technologien oder/und Speicher, als sich ständig ändernde Parameter können einen großen Einfluss auf das Resultat der Berechnung nehmen. Dennoch bietet es Möglichkeit, ein bestehendes oder geplantes Energiesystem zu modellieren und auf Basis des genauen, stündlichen Verbrauchs zu optimieren. Zudem können durch die schnelle Änderung der Parameter mehrere Szenarien erstellt und damit Unsicherheiten vorher betrachtet, berücksichtigt werden.
Somit können nicht nur Kosten, sondern auch Umweltbelastungen dauerhaft reduziert werden.
Die hier verlinkte Demoversion der Software FINEconcepts bietet drei Haushalte mit unterschiedlich hohem Energiebedarf welche auf Basis einer PV-Anlage und eines Speichers optimiert werden können. Dabei ist es dem Nutzenden möglich technoökonomische Parameter wie den Strombezugspreis, die Investitionskosten, aber auch mögliche Darlehensbedingungen selbst zu verändern. Somit können unterschiedlich optimierte Variationen des Energiesystems und deren Auswirkung auf die jährlichen Kosten, die Umwelt und den Eigenverbrauch verglichen werden.
Wie die Demo-Version verwendet wird und welche Aussagen der Tabellenansicht der Berechnungsergebnisse entnommen werden können, wird zeitnah mittels verlinkter Videoanleitungen genau beschrieben.
Für Fragen, Anmerkungen oder konkrete Projekte zur Modellierung eines Energiesystems, kontaktieren Sie gerne die auf dieser Seite aufgeführten Ansprechpersonen.
(aufgrund von Arbeiten an der Demo ist diese derzeit nur aus dem Hochschulnetzwerk erreichbar)
- Veränderung der Energiesystemparameter
- Veränderung der Energiesystemparameter (Anwendungsbeispiel) (folgt)
- Auswertung der Ergebnisse (folgt)
Lara Welder, D.Severin Ryberg, Leander Kotzur, Thomas Grube, Martin Robinius, Detlef Stolten,
Spatio-temporal optimization of a future energy system for power-to-hydrogen applications in Germany,
Energy, Volume 158, 2018, Pages 1130-1149. License: MIT License Copyright (C) 2016-2022 FZJ-IEK-3
Dash-Plotly - open source - Framework für Data Science Web apps. Licence: MIT License Copyright (C) 2021 Plotly, Inc
PVGIS-API - API, welche die Daten des PV-GIS-Tools zugreift und diese in entsprechnder From ausgeben kann.
MIT License Copyright (c) 2019, Stian Hanger
Ein normaler Einfamilienhaushalt möchte seine Energiekosten senken und dazu eine PV-Anlage auf dem Dach installieren. Der Verbrauch der Familie beträgt jährlich ca. 3000 kWh. Würde man den Energiebedarf der Familie grafisch darstellen und dabei jede einzelne Stunde des Jahres betrachten, so würde der Verbrauch etwa so aussehen:
Abbildung 1: Grafisch dargestellter stündlicher Verbrauch eines Einfamilienhauses mit einem jährlichen Gesamtverbrauch von ca. 3000 kWh
In Abbildung 1 ist ein typisches Verbrauchsprofil eines deutschen Haushalts zu erkennen. So wird im Sommer meist weniger Strom benötigt, da sich die Personen auch Nachmittag länger im Freien aufhalten. Ebenfalls erkennbar ist für den dargestellten Fall eine Grundlast, welche bei ca. 0,12 kWh liegt. Diese ergibt sich durch elektrische Geräte die dauerhaft in Betrieb (z.B. Kühlschränke) oder im Standby-Modus (z.B. Fernseher) sind.
Ein solches Verbrauchsprofil (Lastgang) lässt sich durch Analyse der Verbraucherdaten für jedes beliebige Energiesystem erstellen und dient als Grundlage zur Modelbildung.
Ähnlich wie es für den Verbrauch möglich ist diesen grafisch darzustellen, kann die Energiegewinnung dargestellt werden. Mittels Wetterdaten des Deutschen Wetterdienstes (DwD) und dem Web-Tool PV-GIS der europäischen Union ist es möglich für jede Stunde des Jahres (bezogen auf vergangene Jahre) standortspezifisch die Einstrahlung der Sonne zu ermitteln. Dabei werden auch die Himmelrichtung und die Neigung berücksichtigt. Nimmt man für das hier beschriebene Beispiel den Standort Brandenburg an der Havel an und geht davon aus, dass die geplante Dachseite eine Neigung von 40° hat und nach Süden zeigt so wurde im letzten Jahr für ein Kilowattpeak (kWp) folgende Energie erzeugt:
Abbildung 2: grafisch dargestellter stündlicher Ertragsgang einer 1 kWp PV-Anlage am Standort Brandenburg an der Havel bei einer Neigung von 40° und einer Ausrichtung nach Süden
Ähnlich dem Lastgang ist auch im Ertragsgang in Abbildung 2 eine Abhängigkeit der Jahreszeit zu erkennen. So ist im späten Frühling und im Sommer ein höherer und auch dichterer Energiegewinn erkennbar als im Herbst und im Winter. Ebenfalls erkennbar ist, dass das hier dargestellte Jahr anscheinend einen sehr sonnigen Frühling hatte. Solche Ertragsgänge lassen sich für jedes PV-System erstellen. Dabei ist es jedoch nicht möglich kommende Jahre vorherzusagen. Dennoch geben die Ertragsgänge vergangener Jahre einen guten Aufschluss darüber, mit welchen Werten ein so gestaltetes Energiesystem rechnen kann.
Mithilfe der Software FINEconcepts ist es möglich einen direkten Vergleich des stündlichen Energiebedarfs mit dem Ertrag, der sich aus einer PV-Anlage ergeben würde zu erstellen und zu berechnen. Das bedeutet, wenn der Ertrag zu einer bestimmten Stunde des Jahres höher ist als der Verbrauch, würde die überschüssige Energie ohne einen vorhandenen Speicher z.B. eingespeist werden. Wäre der Verbrauch zu dieser Stunde höher, so müsste der Differenzstrom weiterhin vom Netzbetreiber bezogen werden.
Würde die Familie in diesem Bespiel sich also eine 1 kWp PV-Anlage installieren lassen, so würde sich folgendes ergeben:
Abbildung 3: gesamte, grafische Darstellung von Energieverbrauch und Energieertrag, stündlich aufgelöst für ein komplettes Jahr
Ein Vergleich der beiden Diagramme wie in Abbildung 3 zu sehen zeigt, dass selbst bei einer installierten PV-Leistung von nur 1 kWp im Sommer deutlich mehr Energie gewonnen als verbraucht wird. Die dadurch entstandene Energie wird also eingespeist und mit ca. 0,08 € vergütet. In den Wintermonaten ist hingegen sichtbar, dass der Ertrag häufig nicht einmal die Grundlast deckt. In diesem Fall müsste jede benötigte kWh vom Netzbetreiber bezogen werden, wobei der Einkaufspreis für Strom im Normalfall zwischen 0,30 € und 0,50 € beträgt.
Auf dieser Grundlage ist es möglich die jährlichen Kosten mit/ohne und mit verschiedenen PV-Leistungen zu berechnen, um zu ermitteln welches Energiesystem für die Familie zu den geringsten jährlichen Kosten führen würde.
Als Grundlage dient das bestehende Energiesystem ohne eine PV-Anlage. Die jährlichen Kosten resultieren also nur aus dem Energiebedarf und dem Strompreis, der hierfür mit 0,40 € angenommen wird. Die Energie- und Kostenaufstellung ergibt sich somit wie in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1: Ergebnis für das Szenario des Einfamilienhauses (Energie nur durch Netzbetreiber)
Nun kann dieses Energiemodell durch eine 1kWp PV-Anlage ergänzt werden. Somit ergibt sich für die Energiebilanz eine Darstellung wie in Abbildung 3. Berechnet man das Energiemodel mit einem Einkaufspreis der PV-Anlage für 1400 €/kWp so ergeben sich zum Vergleich die in Tabelle 2 dargestellten, jährlichen Kosten.
Tabelle 2: Ergebnis für das hier beschriebene Beispiel mit einer installierten PV-Leistung von 1kWp
Beim Bau einer PV-Anlage auf einem Hausdach werden jedoch nur selten so geringe Leistungen wie 1 kWp installiert. Häufig wird die mögliche Fläche des Daches voll ausgenutzt. Dabei kann die installierte Leistung schnell größer als 7 kWp werden. In diesem Fall sind nicht nur die Investitions- und Wartungskosten deutlich höher, auch muss berücksichtigt werden, dass eine derartige Investition meist nur durch einen Kredit realisiert werden kann. Somit müssen für eine wirtschaftliche Betrachtung auch die jährlichen Zinsen berücksichtigt werden. Um nun aufzuzeigen, wie sich all dies auf die jährlichen Kosten auswirkt, kann das Energiesystem wieder mit der Software FINEconcepts modelliert und berechnet werden. Das Ergebnis mit einer 7 kWp-PV- Anlage ist hierzu in Tabelle 3 mit und ohne Darlehen dargestellt.
Tabelle 3: Ergebnis für das hier beschriebene Beispiel mit einer installierten PV-Leistung von 7kWp ohne /mit Darlehen
Werden die jährlichen Kosten des Darlehensszenarios betrachtet so ist zu erkennen, dass trotz erhöhten, installierten PV-Leistung nur eine geringe Einsparung in den jährlichen Kosten erreicht wird. Das ist auf den großen Einfluss der jährlichen Zinsen, bezogen auf die Investitionskosten, zurückzuführen.
Dies führt zu dem Schluss, dass je nach Gegebenheiten (Darlehensbedingungen, Einspeisevergütung, Strompreis) eine unterschiedliche Menge installierter PV-Leistung zu möglichst geringen, jährlichen Kosten führen kann.
Zur Verdeutlichung wird das genannte Szenario noch einmal berechnet, wobei im Programm dieses Mal nicht festgelegt wird, dass 7 kWp PV-Leistung fest installiert werden, sondern, dass es sich dabei nur um die maximal zu installierende Leistung handelt. Dadurch können innerhalb der Software unterschiedliche Rechnungen mit dem Ziel getätigt werden das System mit den geringsten, jährlichen Kosten anzuzeigen. Beispielhaft hierfür ist in Tabelle 4 das optimierte Energiesystem und die damit verbundenen jährlichen Kosten dargestellt.
Tabelle 4: Kostenoptimales Ergebnis für das hier beschriebene Beispiel ohne/mit Darlehen
Dem Ergebnis der Modellierung und Berechnung des Energiesystems sind zwei Aussagen zu entnehmen. Zum einen ist zu erkennen, dass wenn die Familie keinen Kredit benötigt, die PV-Anlage mit einer installierten Leistung von 7 kWp eine Ersparnis von ca. 400 € jährlich erbringt. Die zweite Aussage besteht darin, dass bei Verwendung eines Darlehens eine installierte Leistung von 7 kWp nicht zu den minimalen, jährlichen Kosten führt, da die jährlichen Zinskosten für die Anlage höher sind als durch diese mit einer Einspeisegebühr erwirtschaftet wird. Diese Aussagen sind in Tabelle 5 noch einmal mit den entsprechenden Werten dargestellt.
Tabelle 5: Kostenvergleich der Szenarien ohne/mit Kredit
Abschließend kann anhand dieses Beispiels aufgezeigt werden, dass eine Installation maximal möglicher PV-Leistung nicht immer aus wirtschaftlicher Sicht das beste Ergebnis erzielt. Neben vielen bereits genannten Parametern spielt aber auch die Ausrichtung der PV-Anlage eine große Rolle. So ist es möglich, dass eine nach Osten bzw. Westen ausgerichtete PV-Anlage zu höheren Einsparungen führen könnte. Die Begründung dafür liegt darin, dass dadurch mehr Energie zu den Zeiten bereitgestellt wird, an denen auch der eigene Verbrauch hoch ist.
Die Software FINEconcepts ermöglicht es also nicht nur das Energiesystem optimal auszulegen, sondern bietet auch eine Möglichkeit unterschiedliche Energiesysteme aufzubauen und miteinander zu vergleichen. Dabei ist die Software nicht nur auf elektrische Energie beschränkt, sondern kann in vollem Funktionsumfang auch Wärme, oder andere Energieformen bishin zu Stoff- und Materialströmen inklusive Speichermedien abbilden.
Für Fragen, Anmerkungen oder konkrete Projekte zur Modellierung eines Energiesystems, kontaktieren Sie gerne die auf dieser Seite aufgeführten Ansprechpersonen.
Dieses Beispiel des Energiesystems "Engeryland" welches mit FINE programmiert wurde zeigt, dass sich auch komplexe Modelle vom Kraftwerk bis zum Verbraucher darstellen lassen und dient als Anschauungsobjekt für die Möglichkeiten die FINEconcepts bietet.
Energyland by FINE - https://github.com/FZJ-IEK3-VSA/FINE/blob/master/examples/EnergyLand/images/strukturExample.png
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