2016-10-11, Menn, Claudio, Geissler, Achim

A techno-economic and environmental analysis of proposed energetic refurbishment measures combined with energy supply variants for a historic district in Switzerland (303 entities; 64’546 m2 energy reference area (AE)) is given. The economic evaluation is based on the Net Present Value (NPV) method and the environmental impact is quantified in “eco-points” (German: “Umweltbelastungspunkte” (UBP)) and equivalent CO2 emissions. Data for the analysis is provided by the Swiss building certification (German: “Gebäudeenergieausweis der Kantone” (GEAK)) and secondary literature. A total of three variants, V I through V III is analysed. The results show how current limit values for heating demand can be met with energetic refurbishment measures (including aerogel-super-insulation materials) which conform to requirements of the regional monument protection. It is found that a local heat distribution system based on a Brine/Water Heat Pump (B/W HP) (V I) can reduce the environmental impact for heating, hot water, ventilation, auxiliary energy (HWVA) from currently 1.8 tons CO2 eq per capita and annum (p.c.a.) (1.5 Million UBP’s p.c.a.) for the fossil fuel based system to 118 kg CO2 eq p.c.a. (325 thousand UBP’s p.c.a.). The environmental impact of a central wood chip plant (Combined heat and power (CHP)) in V II or a district heating based system in V III is slightly higher than in V I. Negative NPV (for a 30 years’ time frame) is found for all three mentioned energy supply systems in combination with energetic refurbishment measures (V I: -147.- CHF/m2 AE, V II: -125.- CHF/m2 AE, V III: -98.- CHF/m2 AE). However, it can be shown that reducing the energetic refurbishment costs by one third leads to a positive NPV for all three variants mentioned. Furthermore, the NPV-results do not differ significantly between the variants and should therefore not be the sole basis for decision-making. A sensitivity analysis shows a great impact of materials’ lifetime on the NPV. Therefore, reliable estimates for e.g. aerogel-super-insulation materials are important data for a NPV evaluation. Furthermore, the environmental impact was calculated for HWVA, only. This system boundary should be extended to domestic electricity consumption, embodied energy in insulation materials and PV in further research. Keywords: aerogel-super-insulation, historic district, energetic refurbishment, energy supply variants, sustainability assessment

2016, Menn, Claudio, Dorusch, Falk, Geissler, Achim

Die historische Siedlung Weissenstein in Bern soll denkmalgerecht und nachhaltig saniert werden. Im Rahmen des hier zusammengefassten Projektes wurden Energiekonzepte entwickelt. Ausgehend von 10 Gebäudeenergieausweisen der Kantone (GEAK) als Grundlage für die Bedarfsanalyse werden 3 Energieversorgungs- sowie 3 Gebäudesanierungsvarianten hinsichtlich technischer Umsetzung, Energieeffizienz, Umweltauswirkungen und Wirtschaftlichkeit bewertet. Zudem wird mit einem mittelfristigen und langfristigen Zeithorizont ein Entwicklungspfad zur schrittweisen Umsetzung der Massnahmen aufgezeigt.

2015-08, Kim, David Pascal, Geissler, Achim, Hengevoss, Dirk, Menn, Claudio

Aufgrund der Energieperspektiven 2050 des schweizerischen Bundesamtes für Energie (BFE) wird das zukünftige Potenzial von gebrauchten Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen als stationäre Stromspeicher in Gebäuden untersucht. In drei Szenarien wird der Umweltnutzen für das Jahr 2035 und 2050 ermittelt. Hierzu wird berechnet wie viel Kapazität an herkömmlichen Speichern durch eine gewisse Kapazität an wiederverwendbaren gebrauchten Batterien substituiert werden kann. Das Substitutionspotenzial wird mit ausgewählten Wirkindikatoren wie dem Treibhauspotenzial (GWP) und dem kumulierten Energieaufwand (CED) analysiert. Im Jahr 2050 können dadurch 760 bis 1170 MWh an herkömmlichen Speichern durch 2nd-Life-Speicher substituiert werden. Dabei kann das Treibhauspotenzial pro Jahr um 11'000 bis 16'000 t CO2 Äq gesenkt und der kumulierte Energieaufwand um 207'000 bis 305'000 GJ verringert werden. Die Resultate zeigen, dass der Einsatz von 2nd-Life-Batterien in stationären Anwendungen einen signifikanten Beitrag zur Reduktion der Umweltbelastung von Batterien beitragen kann.

2016, Menn, Claudio, Geissler, Achim, Kim, David Pascal

In vorliegendem Beitrag wird die Untersuchung der Nachnutzung von gebrauchten Batterien aus der Elektromobilität als Second-Life Stromspeicher (engl.: “Battery Energy Storage“ (BES)) in Gebäuden hinsichtlich technischer, ökonomischer und ökologischer Kriterien beschrieben. Basierend auf energiepolitischen Szenarien der Schweiz (Energieperspektiven 2050) werden eine Nettokapitalwert (engl.: „Net Present Value“ (NPV))- Analyse und eine Ökobilanzierung durchgeführt. Die Ergebnisse zu einem typischen Einfamilienhaus mit variierenden PV und Second-Life BES Systemgrössen (1-30 kWp und kWh) zeigen keinen positiven NPV25 (Investitionszeitraum 25 Jahre) gegeben Rahmenbedingen aus dem Jahre 2015 und einer betrachteten Anzahl CL (engl.: „Cycle Life“) von 800-6400. Für ein Second-Life BES mit mindestens 4800 CL resultiert eine optimale nutzbare Speicherkapazität von 2 kWh (≈ 10.7 Wh/m2 Energiebezugsfläche (AE)). Die optimale Systemgrösse der PV-Anlage beträgt dabei 3 kWp (≈ 16 Wp/m2 AE). Demgegenüber zeigt die Gesamtsystem-Betrachtung (PV inkl. Second-Life BES) eines typischen Mehrfamilienhauses ein NPV25 von durchschnittlich 1300-1500 CHF, gegeben eine Anzahl CL von 4800-6400. Die optimalen Systemgrössen betragen hierzu im Durchschnitt der betrachteten Szenarien 14 kWp (≈ 13 Wp/m2 AE) und 5 kWh (≈ 4.7 Wh/m2 AE) Speicher-kapazität. Der Vergleich von Second-Life BES zu herkömmlichen Stromspeichern (engl.: „conventional“ (C)) zeigt beim MFH nahezu bei allen untersuchten Systemgrössen einen Kostenvorteil für Second-Life BES. Die Stromgestehungskosten des Second-Life BES betragen 57 Rp./ kWh bei 4800 resp. 49 Rp./ kWh bei 6400 CL (gemittelt zwischen den untersuchten Szenarien). Der Kostenvorteil gegenüber C-BES beträgt dabei 110 % resp. 80 %. In einer Sensitivitätsanalyse werden die Basiskosten (Gehäuse, Verkabelung, Wechselrichter und Installation) und der Strompreis als Parameter mit grösstem Effekt auf die Profitabilität von BES identifiziert. Basierend auf energiepolitischen Szenarien der Schweiz kann mit einer Substitution von C-BES durch Second-Life BES von 0.34 – 0.60 % im Jahre 2035 und 1.3 – 2.0 % im Jahre 2050 zum jährlichen Reduktionsziel der CO2-Emissionen beigetragen werden. Voraussetzung dafür ist die Nutzung des verfügbaren Materials aus der Elektromobilität. Zudem liegt dieser Rechnung eine Substitutionsrate der Nennkapazität von C-BES Systemen mit Second-Life BES von 14 % zugrunde. Ein Anschlusspunkt für nachfolgende Forschungsarbeiten liegt in der Gestaltung von Ta-rifsystemen, die einen höheren Anreiz zur Stromspeicherung geben. Dabei ist in der Betrach-tung des Umweltnutzens von Second-Life BES die rasante Entwicklung von alternativen Bat-terietechnologien stärker zu berücksichtigen.

2015-09, Menn, Claudio, Geissler, Achim, Kim, David Pascal, Dorusch, Falk

In vorliegendem Beitrag wird die Untersuchung der Nachnutzung von gebrauchten Batterien aus der Elektromobilität als Second-Life Stromspeicher (engl.:“Battery Energy Storage“ (BES)) in Gebäuden hinsichtlich technischen, ökonomischen und ökologischen Kriterien beschrieben. Basierend auf energiepolitischen Szenarien der Schweiz (Energieperspektiven 2050) werden eine Nettokapitalwert (engl.: „Net Present Value“ (NPV))- Analyse und eine Ökobilanzierung durchgeführt. Die Ergebnisse zu einem typischen Einfamilienhaus mit variierenden PV und Second-Life BES Systemgrössen (1-30 kWp und kWh) zeigen keinen positiven NPV25 (Investitionszeitraum 25 Jahre) gegeben Rahmenbedingen aus dem Jahre 2015 und einer betrachteten Anzahl CL (engl.: „Cycle Life“ (CL)) von 800-6400. Für ein Second-Life BES mit mindestens 4800 CL resultiert eine optimale nutzbare Speicherkapazität von 2 kWh (≈ 10.7 Wh/m2 Energiebezugsfläche (AE)). Die optimale Systemgrösse der PV-Anlage beträgt dabei 3 kWp (≈ 16 Wp/m2 AE). Demgegenüber zeigt die Gesamtsystem-Betrachtung (PV inkl. Second-Life BES) eines typischen Mehrfamilienhauses ein NPV25 von durchschnittlich 1300-1500 CHF gegeben einer Anzahl CL von 4800-6400. Die optimalen Systemgrössen betragen hierzu im Durchschnitt der betrachteten Szenarien 14 kWp (≈ 13 Wp/m2 AE) und 5 kWh (≈ 4.7 Wh/m2 AE) Speicherkapazität. Der Vergleich von Second-Life BES zu herkömmlichen Stromspeichern (engl.: „conventional“ (C)) zeigt beim MFH nahezu bei allen untersuchten Systemgrössen einen Kostenvorteil für Second-Life BES. Die Stromgestehungskosten des Second-Life BES betragen 57 Rp./ kWh bei 4800 resp. 49 Rp./ kWh bei 6400 CL (gemittelt zwischen den untersuchten Szenarien). Der Kostenvorteil gegenüber C-BES ist hierzu 110 % resp. 80 %. In einer Sensitivitätsanalyse werden die Basiskosten (Gehäuse, Verkabelung, Wechselrichter und Installation) und der Strompreis als Parameter mit grösstem Effekt auf die Profitabilität von BES identifiziert. Basierend auf energiepolitischen Szenarien der Schweiz kann mit einer Substitution von C-BES durch Second-Life BES im Jahre 2035 0.34 – 0.60 % und im Jahre 2050 1.3 – 2.0 % zum jährlichen Reduktionsziel der CO2-Emissionen beigetragen werden. Voraussetzung dafür ist die Nutzung des verfügbaren Materials aus der Elektromobilität. Zudem liegt dieser Rechnung eine Substitutionsrate der Nennkapazität von C-BES Systemen mit Second-Life BES von 14 % zugrunde. Ein Anschlusspunkt für nachfolgende Forschungsarbeiten liegt in der Gestaltung von Tarifsystemen, die einen höheren Anreiz zur Stromspeicherung geben. Zudem ist in der Betrachtung des Umweltnutzens von Second-Life BES die rasante Entwicklung von alternativen Batterietechnologien stärker zu berücksichtigen.

2016, Menn, Claudio, Steinke, Gregor, Dorusch, Falk, Geissler, Achim

Das ehemalige Kohlesilo im Gundeldinger Feld in Basel wurde umgebaut und bietet nun Platz für Büros, Praxisräume, Konferenzzimmer und eine Zirkusschule. An den Fassaden und auf dem Dach wurde eine PV-Anlage mit farbigen Modulen installiert. Um den Eigenverbrauch der vor Ort erzeugten Elektrizität zu erhöhen und das öffentliche Stromnetz zu entlasten, werden gebrauchte Lithium-Ionen-Akkus aus Mobilitätsanwendungen als Second-Life Batteriespeicher eingesetzt. Die PV-Anlage und der Batteriespeicher werden in einem Messprojekt detailliert untersucht. As a visible sign of the shift from fossil fuels to renewable energies, the former coal silo and heating plant of the machine factory Sulzer Burckhardt AG in the „Gundeldinger Feld“ in Basel is covered with colored PV modules. As part of the remodeling of the silo into office spaces, a building integrated PV system is installed on two facades and on the roof. In order to increase the self-consumption of the electricity that is generated on-site and to relieve the public grid, previously used lithium-ion batteries from electric vehicles are used as Second Life battery energy storage. The PV system and battery storage are investigated in detail in a monitoring project.

2015-09, Menn, Claudio, Geissler, Achim

Battery energy storage (BES) systems for residential buildings can contribute to power grid stability. The demand for decentralized storage capacity in Switzerland is expected to rise due to political decisions that facilitate renewable energies with power fluctuations such as photovoltaics (PV). Using lithium based BES to meet this demand could have a significant environmental impact as a result of energy intensive production-processes. Furthermore, currently available conventional BES (C-BES) systems are not eco-nomically viable. Within this context, a second use of electric vehicle batteries for 2nd-life-BES (2nd-BES) can be an environmentally sound alternative that facilitates grid integration of residential PV-systems. A model describing the economic viability of 2nd-BES based on the Net Present Value (NPV) method is presented. On the basis of one example building each, results are given for single-family-houses (SFH) and multi-family-houses (MFH), focusing particularly on the market situation found in Switzerland. Results show a cost advantage for 2nd-BES in MFH compared to C-BES systems if a Cycle Life (CL) of 800 and more is available. In SFH, a 2nd-BES shows only a slightly better economic performance than a C-BES system if a CL of 4800 and more can be guaranteed. Notwithstanding the relatively low Levelized Cost of Electricity (LCOE), the NPV for both 2nd-BES and C-BES in both SFH and MFH is negative. Reasons for this are high initial system costs and an electricity tariff scheme with low incentives for con-sumers to store electricity. In this paper, only the current tariff structure in Switzerland is considered. However, alternative tariff schemes, e.g. real time pricing for residential consumers, have become reality in some countries. The impact of such tariff schemes on the economic performance of 2nd-BES is left to future research.