Kalte Nahwärme: Analyse bestehender Projekte & Empfehlungen...• Risiken & Herausforderungen Neues System, vielfach noch Pilotstatus Große Anfangsinvesition, wirtschaftliche Problematik

HBC.Hochschule Biberach │ Karlstraße 11 │ 88400 Biberach/Riß │ www.hochschule-biberach.de

Kalte Nahwärme: Analyse bestehender Projekte & Empfehlungen

Kalte Nahwärme mit WärmepumpenEinführung, Praxisbeispiele, Vernetzung

Kißlegg, 20. Juni 2017

Hochschule Biberach

Studiengänge Energie-Ingenieurwesen & Energie- und Gebäudesysteme

Institut für Gebäude- und Energiesysteme (IGE)

Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff

B.Eng. Felix Schmid

© Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff & B.Eng. Felix Schmid


Kalte Nahwärme mit Wärmepumpen, 20.6.2017

Folie 2


Hinweise zu Urheberrecht und Copyright

Diese Unterlagen sind ausschließlich für die Teilnehmerinnen und Teilnehmer

des Seminars „Kalte Nahwärme mit Wärmepumpen“ am 20.06.2017 in

Kißlegg bestimmt.

In diesen Unterlagen ist z. T. geistiges Eigentum Dritter in zitierender Weise

wiedergegeben, weshalb eine unrechtmäßige Weiterverbreitung dieser

Unterlagen neben ideellen auch finanzielle Schäden nach sich ziehen kann,

für die der Verursacher haftbar gemacht wird.

Eine Weitergabe an Dritte in irgendeiner Form ist deshalb grundsätzlich nicht

gestattet. Für die Teile dieses Dokuments, an denen der Verfasser selbst die

Urheberrechte hält, werden auf Anfrage gerne weitergehende Nutzungsrechte

gewährt.




Folie 3

Diesem Vortrag zugrunde liegende Partnerkonstellationen

Masterthesis B.Eng. Felix Schmid

GeoSpeicher.bw




Folie 4


Inhalt

• Motivation Kalter Nahwärme

• Ökologie: Wärmepumpen-Strom als Heizenergieträger

• Ökonomische Analyse

• Geothermische Quellensysteme für Kalte Nahwärme

• Betriebs- und Betreiberkonzepte

• Empfehlungen & Ausblick




Folie 5

© Max Weishaupt GmbH

Motivation Kalter Nahwärme

Wärmenetze als Bausteine der Energiewende

Einsatz regenerativer Energien in großem Maßstab kostengünstiger Einsatz effizienter Wärmeerzeuger Erzeuger leicht zu erweitern & zu modernisieren lokale ökonomische Partnerschaft & Wertschöpfung Spitzenlastreduktion durch Gleichzeitigkeitsfaktor Zukunftsoption Sektorkopplung Strom-Wärme-Kälte




Folie 6


Spitzenlastreduktion durch Gleichzeitigkeitsfaktor

Quelle: W. Winter, T. Haslauer und I. Obernberger: Untersuchungen der Gleichzeitigkeit in kleineren und mittleren Nahwärmenetzen, Euroheat & Power, 09 2001 09&10.




Folie 7


Heizen und Kühlung als Kombinationsaufgabe – Klimaerwärmung global

Entwicklung der globalen (bodennahen) Mitteltemperatur

Datenquelle: http://data.giss.nasa.gov/gistemp/tabledata_v3/GLB.Ts+dSST.txt; Abbildung: R. Koenigsdorff; 2017

13,4

13,6

13,8

14

14,2

14,4

14,6

14,8

15

188

01

885

189

01

895

190

01

905

191

01

915

192

01

925

193

01

935

194

01

945

195

01

955

196

01

965

197

01

975

198

01

985

199

01

995

200

02

005

201

02

015

glo

bal

e T

em

pe

ratu

r [°

C]




Folie 8


Heizen und Kühlung als Kombinationsaufgabe – Klimaerwärmung lokal

Jahresmitteltemperaturen Wetterwarte Süd Bad Schussenried (WWS=

y = 0,055x ‐ 101,45R² = 0,5156

0,000

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020

Jahresmitteltemperatur WWS

Jahresmitteltemperatur WWS

Linear (Jahresmitteltemperatur WWS)

10 Periode gleit. Mittelw.(Jahresmitteltemperatur WWS)

5 Periode gleit. Mittelw.(Jahresmitteltemperatur WWS)

Datenquelle: www.wetterwarte-sued.comAbbildung: R. Koenigsdorff, 2017




Folie 9


Heizen und Kühlung als Kombinationsaufgabe – steigender Kühlbedarf

Simulationsergebnis operative Raumtemperaturen heutiges mittleres Klima

& Quelle: Jan-Michael Schaub, Bachelorarbeit, Hochschule Biberach, 2013; S. 82




Folie 10


Heizen und Kühlung als Kombinationsaufgabe – steigender Kühlbedarf

Simulationsergebnis operative Raumtemperaturen künftiger Extremsommer

& Quelle: Jan-Michael Schaub, Bachelorarbeit, Hochschule Biberach, 2013; S. 82




Folie 11

Ökologie

Wärmepumpen-Strom als Heizenergieträger

Spezifische Emissionsfaktoren von Heizsystemen nach GEMIS 4.95 heute

& Quelle: Felix Schmid, Masterthesis, Max Weishaupt GmbH & Hochschule Biberach, 2017




Folie 12

Ökologie


Prognose spezifische CO2-Emissionen von Heizsystemen bis 2050

& Quelle: Felix Schmid, Max Masterthesis, Max Weishaupt GmbH & Hochschule Biberach, 2017




Folie 13

Ökologie

Wärmepumpen-Strom als Heizenergieträger: Primärenergiebedarf

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

Gas-BW + solar

el. KWP (3,0)

el. KWP (4,0)

el. KWP (5,0)

Holz-Pellets

direkte geoth. Kälte (15)


3,0 2,6 2,0

primärenergetische Anlagen-Aufwandszahl eP

Primärenergie-Faktor fP der Stromerzeugung:

Primärenergiefaktor Holz fP = 0,2 (erneuerbar)

Primärenergiefaktor Holz fP = 1,2 (gesamt)

Solarenergie:

fP = 0 (erneuerbar)

fP = 1 (gesamt)

Anteile erneuerbarer Energie:

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

Gas-BW + solar

el. KWP (3,0)

el. KWP (4,0)

el. KWP (5,0)

Holz-Pellets



3,0 2,6 2,0

primärenergetische Anlagen-Aufwandszahl eP

Primärenergie-Faktor fP der Stromerzeugung:

Primärenergiefaktor Holz fP = 0,2 (erneuerbar)

Primärenergiefaktor Holz fP = 1,2 (gesamt)

Solarenergie:

fP = 0 (erneuerbar)

fP = 1 (gesamt)

Anteile erneuerbarer Energie:

!

!




Folie 14

Ökologie

Wärmepumpen-Strom als Heizenergieträger: Exergie & Anergie

Effiziente Wärmepumpenheizungen und Kühlsysteme

exergetisch optimal & damit auf lange Sicht ökologisch zu bevorzugen

Flamme> 1.000 °C 80 % Exergie

Wärmepumpe< 45 °C20 – 30 % Exergie (Wärmepumpen-Strom)70 – 80 % Anergie (Wärmequelle)

Energie-Input Energie-Output

20 °C7 % Exergie

93 % Anergie

Umgebung0 °C

100 % Anergie




Folie 15

Ökologie


Entwicklung des Strombedarfs für eine klimaneutrale Energieversorgung mit

Effizienzmaßnahmen

(inkl. Wärmepumpen)

& Quelle: Volker Quaschning: Sektorkopplung durch die Energiewende,

http://pvspeicher.htw-berlin.de/sektorkopplungsstudie/, 20.06.2016; Bild 14




Folie 16

Ökonomische Analyse

Kostenvergleich verschiedener Heizsysteme (Preisbasis 1. Betriebsjahr)

Einfamilienhaus Niedrigstenergiegebäude 150 m²

Wärmebedarf 10.000 kWhth/a, Heizlast 6 (- 8) kW

JAZ WP 4 2500 kWhel/a, Strompreis WP 0,21 ct/kWh, Betrachtungszeitraum 20 a





Folie 17


Kostenvergleich verschiedener Heizsysteme (Preisbasis 1. Jahr nach)

Einfamilienhaus Niedrigstenergiegebäude 150 m²

Wärmebedarf 10.000 kWhth/a, Heizlast 6 (- 8) kW

JAZ WP 4 2500 kWhel/a, Strompreis WP 0,21 ct/kWh, Betrachtungszeitraum 20 a





Folie 18


Validierung der Ergebnisse an Beispiel-Netzkonzepten (Konzept 1 … 3)





Folie 19

Geothermische Quellensysteme für Kalte Nahwärme

Beispiel-Netzkonzept 1: zentrales Erdwärme-Sondenfeld

32 EWS





Folie 20


Beispiel-Netzkonzept 2: Insellösung mit zwei Erdwärme-Sondenfeldern

16 EWS

14 EWS





Folie 21


Beispiel-“Netzkonzept“ 3: dezentrale Lösung = Einzelanlagen





Folie 22


Auslegung von EWS-Einzelanlagen & EWS-Feldern: EED-Simulation

Einzelsonde




Folie 23


Auslegung von EWS: Einfluss von Kühlung (hier: EDV-Abwärme) __vonBraun(Weishaupt)170619im Sommer)

Einzelsonde(ohne Wärme-eintrag)




Folie 24


Auslegung Quellensysteme mit Blick auf Jahresdauerlinie des Bedarfs

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Zeit [h/a]

Le

istu

ng

(n

orm

iert

)

Grundlast: z. B. EWS-Feld oder BrunnenOptimierung: Wärmeeintrag (Kühlung, Abwärme)

Mittellast: z. B. Erdwärmekollektoren, AgrothermieOptimierung: Gesamtkosten minimieren

Spitzenlast: z. B. Pufferspeicher, System zur LastreserveOptimierung: Lastreduktion durch Betriebsführung




Folie 25

Betriebs- und Betreiberkonzepte

Hydraulischer Betrieb: stark variierende Förderhöhen der Verbraucher unterschiedliche Pumpenkonzepte (zentral – dezentral – kombiniert)





Folie 26

Betriebs- und Betreiberkonzepte

Schnittstellen, Verantwortlichkeiten & Geschäftsmodelle

1. Lieferung kalter thermischer Energie („Anergie“) als Fernwärme

Problematik & Aufwand Wärmezählung bei Kalter Nahwärme

2. Lieferung kalter thermischer Energie („Anergie“) als Dienstleistung‘ Bezahlt wird Betrieb, nicht Energielieferung: Flatrate, Nutzungsdauer…

3. Komplettbetrieb Wärmeversorgung bis inkl. Erzeugernutzwärmeabgabe Betrieb inkl. Überwachung und Optimierung in einer Hand

4. Wärmelieferungs-Contracting „Rundum-sorglos-Paket“ für Kunden

Eigentum & Verantwortung/Risiko komplett in einer Hand

komplett durchgängige Betriebsüberwachung und -optimierung

Contractor kann Anlage im Ausbau bzw. baulich anpassen

Kopplung von Geschäftsmodellen im Wärme- & Strommarkt möglich




Folie 27

Kalte Nahwärme mit Wärmepumpen

Zusammenfassung

• Stärken & Chancen Kalter Nahwärme Einsatz regenerativer Energien in großem Maßstab

Kostengünstiger Einsatz effizienter Wärmeerzeuger

Spitzenlastreduktion durch Gleichzeitigkeitsfaktor

Erzeuger leicht zu erweitern & zu modernisieren

Wärme- und Kältelieferung in einem

Lokale ökonomische Partnerschaft & Wertschöpfung

Stabilere Energiekosten

• Risiken & Herausforderungen Neues System, vielfach noch Pilotstatus

Große Anfangsinvesition, wirtschaftliche Problematik von Wärmenetzen

U. U. unsichere quantitative & zeitliche Entwicklung der Anschlusskunden

U. U. Risiko des Ausfalls von Abwärme-Wärmelieferanten

Geringe Effizienz bei hohen Verbrauchertemperaturen (z. B. Sanierung)




Folie 28

Kalte Nahwärme mit Wärmepumpen

Empfehlungen & Ausblick

• Empfehlungen (Erfolgsfaktoren) Frühe Beteiligung der Öffentlichkeit & Nutzer (z. B. Richtlinie VDI 7000)

Motivation und genossenschaftsähnliche Lösungen vor Anschlusszwang

Nicht bei der Planung und Optimierung sparen: Auslegung, Hydraulik …

Betreiberkonzept „aus einem Guss“

Einbindung von Abwärme aus Industrie und Kälteerzeugung (siehe z. B.

Pilotprojekte Wüstenrot & Zürich)

• AusblickWeitere Entwicklung, FuE:

optimierte Sondenfelder

Hydraulik (Pumpen) & Betriebsführung

hybride Pilotprojekte

Fortschrittliche Anergienetze mit größerer Wertschöpfung:

Sektorkopplung Wärme-Kälte-Strom




Folie 29

Ausblick

Kalte Nahwärme mit Wärmepumpen - Verteilschiene für Sektorkopplung

Kondensator

Verdampfer

Blockheiz-KraftwerkBHKW (KWK)

Nutz-wärme-speicher

geothermischesQuellensystem

Wär

mep

umpe

Nieder-temperatur-speicher

Wärme

StromStrom

Kälte

Grafik nach: R. Koenigsdorff: Oberflächennahe Geothermie für Gebäude. Fraunhofer IRB Verlag, 2011

Kaltes Nahwärmenetz




Folie 30

Vielen Dank

für Ihre

Aufmerksamkeit!

Documents

Kalte Nahwärme: Analyse bestehender Projekte & Empfehlungen...• Risiken & Herausforderungen Neues System, vielfach noch Pilotstatus Große Anfangsinvesition, wirtschaftliche Problematik