Year-round household energy-self-sufficiency in Austria

Abstract

Energieautarkie für Privathaushalte ist kein neues Thema. Menschen leben "off grid" um weitgehend zum Selbstversorger zu werden oder fahren mit einem Wohnmobil in den Urlaub und wollen weiterhin ausreichend Strom haben. In vielen Teilen der Welt ist das Stromnetz nicht existent oder instabil. Während der letzte Punkt für lange Zeit kein relevantes Problem in Österreich darstellte, hat ihn die Energiekrise wieder salonfähig gemacht. Um Energieautarkie greifbarer zu machen wurde ein Simulator in MATLAB geschrieben, welcher gemessene und modellierte Wetterdaten verwendet. Diese Daten werden verwendet um den Energiegewinn aus einer PV und einer Windturbine zu berechnen. Weiters erzeugt der Simulator aufgrund von gegebenen Gebäudeparameter einen Heizbedarf, welcher durch eine Wärmepumpe gedeckt wird die wiederum Strom benötigt. In Verbindung mit einen Haushaltlastprofilsimulator und einem Energiespeichermodell können Erzeugung, Speicherung und Verbrauch komplett abgebildet werden. Während grobe Autarkieberechnungen für verschiedene Region existieren, können diese in geringer geographischen Distanz signifikant von einander abweichen. Diese Diplomarbeit zeigt, dass Energieautarkie möglich ist und demonstriert den Einfluss der verschiedenen Wetterbedingungen in Österreich auf die Autarkie. Es zeigt weiters wie die Skalierung von PV und Speichergröße auf die Autarkie einwirkt. Obwohl der Einfluss von elektrischem Heizen auf Energieautarkie als schwerwiegend angenommen wurde, zeigt die Arbeit wie stark dieser Effekt die Autarkie erschwert. Um vollkommen autark zu sein müssen die Komponenten massiv ausgelegt werden, ideale Bedingungen herrschen oder der Verbrauch in Zeiten wo wenig Energie erzeugt wird drastisch verringert werden.

Energy autarky for private households is a topic which has existed for a long time. People are living off grid to live a life of self-sufficiency or they take a recreational vehicle on vacation and want sufficient power. In many parts of the world the energy grid is simply non existent or very unstable. While the last point was a non issue in Austria for the longest time, the energy crisis is now more tangible than ever. To make energy self-sufficiency more feasible, a simulator was conceived and written in MATLAB which uses real world and modeled weather data. This data is then used to calculate the output of a Photovoltaic (PV) system of any given size, the output of a wind turbine and a load from a heat pump resulting from the heat demand depending on building parameters and the environment. In conjunction with a household load simulator, an energy storage model is created which stores orsupplies depending on the energy situation of the household. While rough estimations for autarky in different regions exist, there can be significant differences in autarky within little spatial distance. This work shows that energy self-sufficiency depending on the setup and location is indeed possible and demonstrates the influence of geographical location on autarky throughout Austria. Furthermore it shows how scaling of PV and storage impacts autarky. While the effects of electrical heating on autarky was expected to be severe, this work puts in perspective just how much it impinges this ordeal. To achieve full autarky, components need to be scaled up excessively, there have to be ideal weather conditions at the location or the power consumption has to be reduced drastically in times where the energy yield from the generators is low.