Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellen in Wohngebäuden im zukünftigen Energiesystem

Combined heat and power generation (CHP) is regarded as one of the cornerstones of a future sustainable energy system. The application of this approach can be substantially extended by employing fuel cell technologies in small units for supplying heat to residential buildings. This could create an additional market for combined heat and power generation corresponding to approx. 25% of the final energy demand in Germany today. In parallel, the extensive application of distributed fuel cell systems in residential buildings would have substantial effects on energy infrastructures, primary energy demand, the energy mix and greenhouse gas emissions. It is the aim of the present study to quantify these effects via scenario modelling of energy demand and supply for Germany up to the year 2050. Two scenarios, $\textit{reference}$ and $\textit{ecological commitment}$, are set up, and the application and operation of fuel cell plants in the future stock of residential buildings is simulated by a bottom-up approach. A model of the building stock was developed for this purpose, consisting of 213 types of reference buildings, as well as detailed simulation models of the plant operation modes. The aim was, furthermore, to identify economically and ecologically optimised plant designs and operation modes for fuel cells in residential buildings. Under the assumed conditions of the energy economy, economically optimised plant sizes for typical one- or two-family homes are in the range of a generating capacity of a few hundred watts of electrical power. Plant sizes of 2 to 4.7 kWel as discussed today are only economically feasible in multifamily dwellings. The abolition of the CHP bonus reduces profitability, especially for larger plants operated by contractors. In future, special strategies for power generation and supply can be an economically useful addition for the heat-oriented operation mode of fuel cells. On the basis of the assumed conditions of the energy economy, a technical potential for heat generation by fuel cells of 60% of the heat demand of residential buildings in Germany can be expected in 2030. In the $\textit{reference}$ scenario, this value remains stable up to 2050, while in the $\textit{ecological commitment}$ scenario fuel cells are crowded out of the market by 2050 due to the intensified application of renewable energy technologies. With the market dynamics of fuel cells assumed here, they can cover approx. 10-11% of the heat demand of all residential buildings by 2030. In the $\textit{reference}$ scenario, this value increases to 25% by 2050. At the same time, the fuel cell stock can supply approx. 10% of total power demand in Germany in 2030, while in the reference scenario the proportion increases to approx. 18% by 2050, which means about 100 TWh per year. Fuel cell application will increase natural gas demand in Germany by 81 TWh by 2030 ($\textit{reference scenario}$). The replacement of other fuels will thus reduce CO$_{2}$ emissions by approx. 36 million tons

Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellen in Wohngebäuden im zukünftigen Energiesystem

Kraft-Wärme-Kopplung wird als eine der tragenden Säulen eines zukünftigen und nachhaltigen Energiesystems angesehen. Die Brennstoffzellentechnologie verspricht hierfür eine wesentliche Erweiterung des Anwendungsspektrums in der Wärmeversorgung von Wohngebäuden. Damit wäre der Kraft-Wärme-Kopplung ein zusätzlicher Markt erschlossen, der heute für ca. 25 % der Endenergienachfrage in Deutschland steht. Gleichzeitig hätte der flächendeckende Einsatz dezentraler Brennstoffzellensysteme in Wohngebäuden große Auswirkungen auf das Energieinfrastruktursystem, den Primärenergiebedarf und den Energieträgermix sowie die Treibhausgasemissionen in Deutschland. Zielsetzung der Arbeit ist es, diese Effekte sichtbar zu machen und im Rahmen von Energienachfrage- und -erzeugungsszenarien bis zum Jahr 2050 zu quantifizieren. Es werden zwei Szenarien entworfen, Referenz und Ökologisches Engagement, worin der Einsatz und Betrieb von Brennstoffzellenanlagen im Wohngebäudebestand der Zukunft bottom-up simuliert wird. Dazu wird ein Modell des Wohngebäudebestands mit 213 unterschiedlichen Referenzgebäuden sowie detaillierte Simulationsmodelle des Anlageneinsatzes erstellt. Deren Ziel ist es darüber hinaus, ökonomisch und ökologisch optimale Anlagenauslegungen und Fahrweisen von Brennstoffzellen in Wohngebäuden zu ermitteln. Es zeigt sich, dass bei den angenommenen energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen ökonomisch optimale Anlagengrößen in typischen Ein- und Zweifamilienhäusern bei wenigen hundert Watt elektrischer Leistung liegen, heute diskutierte Anlagengrößen von 2 bis 4,7 kW el lassen sich nur in Mehrfamilienhäusern wirtschaftlich darstellen. Der Wegfall des KWK- Bonus' verschlechtert die Wirtschaftlichkeit insbesondere größerer und im Contracting betriebener Anlagen erheblich