Die Bedeutung von Mieterstromprojekten für die Energiewende
Bis zum Jahr 2030 soll in Deutschland nach dem Willen des Gesetzgebers 80 % der erzeugten Strommenge aus regenerativen Energien stammen. Hierfür ist ein großer Ausbau Erneuerbarer Energien erforderlich, da deren Anteil am deutschen Strommix noch bei ca. 45 %% liegt. Auf Basis des Koalitionsvertrages der aktuellen Bundesregierung soll die Realisation von 80 % erneuerbarer Energien bis 2030 primär durch die Photovoltaik und Windkraft erfolgen.
Bei einem Blick in die Vergangenheit der Förderung und den Ausbau erneuerbarer Energien ist festzustellen, dass vor allem Hauseigentümer von der Förderung für den Bau einer EE-Anlage profitieren konnten und die Errichtung verstärkt im ländlichen Raum stattfand. Gerade in städtischen Gebieten, die im Gegensatz zum ländlichen Raum einen höheren Anteil von Mietern aufweisen, besteht daher noch ein größeres Ausbaupotential im Bereich der Photovoltaik. Denn bis zum EEG 2016 konnten Mieter nicht von steuerlichen Erleichterungen profitieren, da im juristischen Sinne kein Eigenverbrauch möglich war, weil hierfür der Anschlussnehmer und Anschlussnutzer dieselbe Identität aufweisen müssen.
Um Mieter in die Energiewende zu integrieren, wurde daher das Konzept des Mieterstroms entwickelt. Dies sollte Mietern ermöglichen, von einem vergünstigten Strompreis zu profitieren, wenn ihr Vermieter eine Installation einer Photovoltaikanlage auf dem Hausdach ermöglicht und ein räumlicher Zusammenhang der Erzeugung und des Verbrauchs gegeben ist. Da die Fördersätze für den überschüssigen, eingespeisten Strom in das öffentliche Stromnetz im Mieterstrommodell jedoch zu gering waren und die steuerlichen Erleichterungen für Mieter (Bsp. Zahlung der EEG-Umlage für Mieter auf den Eigenverbrauch) nicht denen mit Hauseigentümern gleichgesetzt wurden, war die Errichtung von Mieterstromprojekten in den vergangenen Jahren noch ein Randthema, welches sich wenig auf die Stabilität bzw. Belastung des Verteilnetzes auswirkte.
Bedingt durch die Anhebung der Fördersätze in der vergangenen EEG-Novelle vom Juli 2022, dem starken Anstieg der Strompreise am Markt und dem Streben zur Erreichung der Klimaziele auf lokaler Ebene rückt das Mieterstrommodell immer stärker in den Fokus der Energiewirtschaft. Für Stromnetzbetreiber bedeutet diese Entwicklung eine stärkere Beanspruchung ihrer Netzinfrastruktur, da sich die Letztverbraucher von klassischen Haushaltskunden, welche ausschließlich Energie verbrauchen, zu Prosumern entwickeln, welche sowohl Energie produzieren, in das öffentliche Stromnetz einspeisen sowie Strom aus dem öffentlichen Stromnetz beziehen. Hierbei kann nicht nur das Szenario auftreten, dass die Mieter Strom von einer PV-Anlage auf dem Hausdach partizipieren, sondern das Modell mit zusätzlichen, größeren Verbrauchern wie z. B. Ladeinfrastruktur oder einer Wärmepumpe erweitert wird.
In allen diesen Fällen steigt die Belastung für die Betriebsmittel im Stromnetz an. Auch sind die Letztverbraucher für den Verteilnetzbetreiber als auch dem Lieferanten hinsichtlich ihres Verbrauchsverhaltens neu zu prognostizieren und zu bewerten. Hierzu wurde im Rahmen einer studentischen Seminararbeit im Auftrag der items untersucht, welche Auswirkungen Mieterstromprojekte auf das lokale Verteilnetz und seine Betriebsmittel haben können. Außerdem sollte untersucht werden, wie eine Lastkurve in einem Mieterstromprojekt aussehen könnte. Im Rahmen dieses Blogbeitrags wollen wir euch die wesentlichen Ergebnisse und Vorgehensweise der Seminararbeit vorstellen.
Der Untersuchungsschwerpunkt der Seminararbeit
Für die Durchführung der Seminararbeit wurde eine Roadmap erstellt, welche die wesentlichen Arbeitsschritte definieren sollte. Ausgangspunkt der Seminararbeit war die Definition eines Mieterstromreferenzobjektes, welches für die spätere Simulation genutzt werden sollte. Für die Simulation wurde auf das Simulationstool Neplan zurückgegriffen. Als Datenbasis wurde für die Simulation auf unterschiedliche (Standard-)Lastprofile zurückgegriffen, welche entweder auf empirischen Daten oder realen Messungen einzelner Versorger beruhen.
Nach der Modellierung des Mieterstromreferenzobjektes wurde das Lastverhalten innerhalb des Gebäudes analysiert und wie die PV-Anlage oder zusätzliche Verbraucher den Lastverlauf verändern. An dieser Stelle fand bereits eine Analyse des Hausanschlusses bzw. der Hausanschlussleitung statt, ob dieser der neuen Belastung standhielt. Als Prämisse wurde festgesetzt, dass der Hausanschluss nicht mehr als 65 % belastet werden soll, um die Lebensdauer durch zu starke thermische Erhitzung nicht weiter zu verkürzen.
Im Anschluss wurde das Mieterstromreferenzmodell in einen realen Netzabschnitt eingebettet und eine Simulation für den gesamten Netzabschnitt durchgeführt, um zu untersuchen, ob eine Überlastung der Betriebsmittel entsteht. Zum Schluss wurde ein Ausbauszenario für 2035 definiert und eine Überschlagsrechnung durchgeführt, ob eine Netzerweiterung erforderlich ist.
Die Datenbasis des Simulationsmodells
Um das Einspeise- und Lastverhalten in Neplan simulieren zu können, wurde im ersten Schritt auf die Methodik der Zeitreihenanalyse auf Basis von Standardlastprofilen zurückgegriffen. Bei einem Mieterstromobjekt ist eine Kombination aus unterschiedlichen Lastprofilen notwendig, da der Mieter nicht mehr als klassischer SLP-Kunde mit einem festen Lastprofil prognostiziert werden kann. Vielmehr wirken sich die PV-Anlage und weitere größere Verbraucher wie z. B. eine Wärmepumpe oder Elektromobil auf das Gesamtverhalten des Objektes und damit auf die Netzbelastung aus.
Für die Modellierung des Mieterstrommodells wurde daher auf mehrere Standardlastprofile zurückgegriffen. Verwendet wurden insgesamt folgende Lastprofile:
- Ein Lastprofil für Haushaltskunden H0 bereitgestellt vom BDEW
- Ein Lastprofil für die PV-Anlage auf Basis von Durchschnittswerten des eigenen EDM-Systems
- Ein Lastprofil für Elektromobile aus einer realen Projektmessung eines EVUs
- Ein Lastprofil für Wärmepumpen aus einer realen Projektmessung
Bei den Lastprofilen ist zu berücksichtigen, dass die einzelnen Lastprofile sich nicht über den gleichen Zeithorizont erstrecken. So liegen für das H0-, das e-Auto- und PV-Lastprofil nur Tageslastgänge auf 15min-Basis vor, während für das Wärmepumpenlastprofil eine vollständige Jahresmessung für das Jahr 2019 auf 15min-Basis vorlag. Da das Simulationstool Neplan nur Lastprofile auf Tagesbasis unterteilt, nach Jahresquartalen abbildet und kein Import von ganzen CSV-Lastgängen in der Demo-Version möglich war, wurde alle Lastgänge auf eine Quartalsbetrachtung nach Tagesprofilen auf Stundenbasis angepasst. Somit hat jeder Erzeuger / Verbraucher für jedes Quartal einen eigenen Lastgang, welcher zwischen Werktagen, Samstagen und Sonntagen differenziert.
Parameter des Mieterstromreferenzmodells
Zur Beurteilung des Lastprofils eines Mieterstromobjektes wurde in der Seminararbeit ein Mieterstromreferenzmodell entwickelt, welches die typischen Eigenschaften eines Mieterstromobjektes darstellen und dessen Lastprofil unter Berücksichtigung verschiedener Erzeuger bzw. Verbraucher analysiert werden soll. Da Mieterstromobjekte vor allem in Mehrfamilienhäuser umgesetzt werden, wurde der Analyseschwerpunkt für das Referenzobjekt ausschließlich auf Mehrfamilienhäuser eingeschränkt.
Nach einer Studie der ista zur Analyse des Bestandes von Mehrfamilienhäusern besteht in NRW ein solches Haus aus durchschnittlich 6 Wohneinheiten mit einer Wohnfläche von 70 m2 je Wohneinheit. Die gesamte mittlere Heizfläche beträgt 472 m2. Als Grundfläche wurde eine Annahme von 15,7 m × 10 m getroffen, mit je 2 Wohneinheiten pro Etage. Es wird die Annahme getroffen, dass alle Parteien am Mieterstrommodell teilnehmen.
Die Auslegung der erforderlichen Hausanschlusskapazität erfolgte auf Basis der DIN 18015-1 Planung von elektrischen Anlagen in Wohngebäuden. Es wurde eine elektrische Anschlussleistung von 48 kVA festgelegt. Als Hausanschlusskabel wurde ein NAYY-Kabel verwendet, mit einem Querschnitt von 50 mm2. Die Auswahl des Querschnittes erfolgte auf Basis der Simulation der Strombelastbarkeit. Der jährliche Strombedarf wurde auf 18.000 kWh (3000 kWh je WE) festgelegt. Dies entspricht ca. 375 Vollbenutzungsstunden. Für die PV-Anlage wurde eine 20 kWPeak Anlage definiert.
In weiteren Modellschritten wurde die Annahme getroffen, dass 50 % der Wohnparteien über einen eigenen Ladepunkt mit maximal 11 kW verfügen und das Gebäude mit einer Wärmepumpe mit einer elektrischen Anschlussleistung von ca. 23,6 kW verfügt. Die Berechnung der Heizlast erfolgte unter der Annahme, dass es sich um ein KfW 60 Haus handelt.
Analyse der Lastprofile im Mieterstromreferenzobjekt
Im Rahmen der Analyse des Mieterstromreferenzobjektes (mit nur einer PV-Anlage) in Neplan wurde sichtbar, dass die PV-Anlage deutlich zur Steigerung des Autarkiegrades beitragen kann. Gerade im Sommer konnte ein Eigenverbrauch von bis zu 50 % erreicht werden. Aufgrund des hohen Eigenbedarfs kam es auch nur in dieser Jahreszeit zu einer Netzeinspeisung. Begünstigt wurde der hohe Eigenverbrauch dadurch, dass die Erzeugungsspitze der PV-Anlage und die Verbrauchslastspitze etwa zu einem selben Zeitraum auftreten.
Bei einer Erweiterung des Modells um die Ladeinfrastruktur (LIS) war erkennbar, dass die LIS eine deutlich höhere Lastspitze mit ca. 15 kW aufweist als die Summe der Wohneinheiten mit knapp 5,5 kW. Hinzu kommt, dass die Lastspitzen des allgemeinen Stromverbrauchs und der LIS etwa zeitgleich auftreten, was perspektivisch hohe Lastspitzen zur Folge hat. Gleichzeitig sinkt der Eigenverbrauch durch die Implementierung der zusätzlichen Verbraucher.
Fügt man dem Mieterstromreferenzmodell noch eine Wärmepumpe hinzu, steigt die Last weiter an. Da im Winter die Wärmepumpe zu einigen Zeitpunkten an ihre Leistungsspitze (23,6 kW) kommt, trägt die Wärmepumpe zu einer deutlich höheren Last als die LIS bei. Allerdings treten die Lastspitzen der Wärmepumpe und der LIS etwas zeitversetzt voneinander auf.
Auswirkung des Mieterstromprojektes auf den Hausanschluss
Neben der Analyse der Lastprofile in Abhängigkeit der verschiedenen Ausbaustufen (PV-Anlage, LIS, Wärmepumpe) wurde im nächsten Schritt die Belastung der Hausanschlussleitung analysiert. Hierfür wurden je Ausbaustufe mit der PV-Anlage simuliert und einmal ohne, da eine Dunkelflaute mitberücksichtigt werden sollte. Im Rahmen der Simulation war zu erkennen, dass mit der Implementierung der PV-Anlage und der LIS noch keine Erweiterung des Hausanschlusses erfolgen muss. Die PV-Anlage trägt jedoch in allen Fällen zur Entlastung bei. Erst bei der Implementierung der Wärmepumpe kam es zu einer thermischen Überlastung der Hausanschlussleitung, weswegen eine Erweiterung um eine weiteres 50 mm2 Kabel vorgenommen wurde. Bei der Simulation des Hausanschlusses ist zu berücksichtigen, dass die Simulation mit dem Worst-Case-Szenario gerechnet wurde und die maximale Leistung zu jedem Zeitpunkt angesetzt wurde. Lastprofile wurden in diesem Schritt nicht verwendet, erst in der späteren Netzsimulation im Verteilnetz. Spannungsbandprobleme traten in keiner der Simulationen auf.
Auswirkung des Mieterstromprojektes auf das Verteilnetz
Im nächsten Schritt wurde das Mieterstromreferenzmodell in ein Niederspannungsnetz (0,4 kV) implementiert. Ausgewählt wurde ein Wohngebiet in einem städtischen Randgebiet. Das Netz wurde als offenes Ringnetz betrieben. Als Übergabepunkt diente ein Ortsnetztransformator mit einer Anschlussleistung von 400 kVA. Als Kabeltyp wurden ausschließlich NA2X2Y-J-Kabel verwendet, mit Querschnitten von 35 bis 150 mm2. In dem Netzabschnitt war bislang nur eine einzige PV-Anlage mit einer Anschlussleistung von 6 kW angeschlossen. Die Leistung der real installierten Hausanschlüsse waren nicht im System gepflegt und wurden ebenfalls über die DIN 18015-1 ermittelt.
Die Auswirkungen des Mieterstromobjektes im Verteilnetz wurden in zwei Stufen durchgeführt. Einmal wurde die Auswirkung des Mieterstromobjektes nur mit einer PV-Anlage, mit und ohne Lastprofile analysiert. In der zweiten Stufe wurde das Modell dann um die Wärmepumpe und LIS erweitert. Insgesamt konnte festgestellt werden, dass das einzelne Mieterstromobjekt mit nur einer PV-Anlage zu keiner Überlastung der Betriebsmittel führte. Die implementierte PV-Anlage wirkte sich hingegen positiv auf das einzuhaltende Spannungsband aus, da noch eine geringe Anzahl von Einspeisern im untersuchten Netzabschnitt vorhanden waren. Mit der Erweiterung des Modells um die Wärmepumpe und der LIS stieg die Betriebsmittelbelastung jedoch um etwa 1/3 an. Bei der Simulation ohne Lastprofile waren erste Betriebsmittel bereits überlastet. Bei einer Analyse mit Lastprofilen, die das statische Verbrauchsverhalten mitberücksichtigen, war dies jedoch nicht der Fall, wodurch die Lastprofile dazu beitragen eine unnötige Überdimensionierung im Netz zu vermeiden. Allerdings war zu beobachten, dass durch die Implementierung der neuen Lasten sich der stärkste Spannungsfall auf den Straßenzug des Mieterstromreferenzgebäudes verschob. Insgesamt waren die Betriebsmittel jedoch maximal mit 38 % belastet, womit das einzelne Mieterstromobjekt noch zu keinem Netzausbau führte, mit Ausnahme der Anpassung des Hausanschlusses.
Ausbauszenario 2035
Da das einzelne Mieterstromobjekt im untersuchten Netzabschnitt zu keinem Ausbau führte, wurde eine Überschlagsrechnung erstellt mit einem Ausbauszenario 2035. Hier wurde die Annahme getroffen, dass in Zukunft jedes Hausdach über eine eigene PV-Anlage verfügt, jedes zweite Haus über eine Wärmepumpe und einen Ladepunkt. Bis 2035 wären somit zusätzliche 92 kW Anschlussleistung für PV-Anlagen, 71 kW für Wärmepumpen und 90 kW für LIS erforderlich.
Bereits in der ersten Simulation mit nur einem Mieterstromobjekt war erkennbar, dass die maximale Auslastung am Transformator 25 % betrug, was 100 kVA entspricht. Somit ständen bis zu einer Auslastung von 50 % noch weitere 100 kVA zur Verfügung. Da bis 2035 allerdings zusätzliche 253 kW erforderlich wären, wäre ein Netzausbau wahrscheinlich, sofern keine Steuerungs- und Regelungstechnik zur Abregelung der Anlagen implementiert werden würde. Auch wäre durch den starken Anstieg von Erzeugern und größeren Verbrauchern das Thema Spannungsbandverletzung neu zu bewerten.
Kritische Würdigung des Analyseprojektes
Ein Problem bei der Umsetzung der Seminararbeit war die mangelnde Datenlage in Form der vorhandenen Lastprofile. Es standen, mit Ausnahme der Wärmepumpe, keine Jahreslastgänge zur Verfügung. Hinzu kam, dass das Simulationstool Neplan nur Tageslastgänge je Quartal abbilden (Werktag, Samstag, Sonntag). Eine ganzjährige Simulation war somit nicht möglich. Sehr volatile Lastgänge wie die der WP konnten somit nur schwer abgebildet werden. Daher musste die Wärmepumpe mit einem Tageslastgang des kältesten Tages je Quartal simuliert werden, da Durchschnittswerte über ein Quartal zu ungenau waren. Der PV-Lastgang war so normiert, dass immer nur eine durchschnittliche Erzeugung angegeben wird, aber kein Extremszenario abgebildet werden kann (Gleichzeitigkeitsgrad nie größer 0,5). Der Lastgang für die Beladung von E-Autos war für eine höhere Anzahl von Fahrzeugen gedacht, daher dürfte der Gleichzeitigkeitsgrad im Modell zu niedrig sein. Insgesamt ist zu berücksichtigen, dass jedes Lastprofil nur ein durchschnittliches Nutzerverhalten, aber nicht das individuelle widerspiegelt! Somit eigenen sich Lastprofile eher zur Simulation eines gesamten Netzes, die das statistische Verbrauchsverhalten widerspiegelt. Die exakte Analyse des Lastgangs für nur ein Objekt ist eher schwieriger.
Außerdem wurde die Auswirkung des Mieterstromobjektes wurde nur an einem Netzabschnitt getestet, eine größere Stichprobe wäre aussagekräftiger gewesen. Interessant wäre auch gewesen, wie sich ein Mieterstromobjekt in einem Verteilnetz mit einem größeren EE-Anteil auswirkt.
Trotz der Kritikpunkte wurde die Seminararbeit als positiv gewertet, da gezeigt werden konnte, welchen Nutzen Lastprofile (mit einer guten Datenbasis) haben können, um Überdimensionierungen im Netz zu vermeiden, da ein Verbraucher läuft, selten permanent zu 100 % seine maximale Last benötigt. Insgesamt hat aber die Datenqualität der Lastprofile einen entscheidenden Einfluss auf die Ergebnisse des Simulationsmodells! Die Simulationsergebnisse zeigen, ein einzelnes Mieterstromobjekt wirkt sich i. d. R. nur gering auf ein gesamtes Verteilnetz aus. In Netzen mit wenig EE-Anlagen wirkt sich die PV-Anlage positiv auf die Netzstabilität aus (Bsp. Anhebung Spannungsband). Die Erweiterung der Hausanschlüsse wird bei Mieterstromobjekten jedoch schnell erforderlich, wenn weitere, größere Verbraucher implementiert werden.
