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01-02 | 2019

EnergieForum Verluste

EnergieForum Verluste [MWh] 800 700 600 500 400 300 200 100 0 saisonaler Wärmespeicher ohne Solarthermie dezentrale Speicher Bild 4 Jährliche Wärmeverluste der verschiedenen Speicherkonzepte. jährliche Kosten [€] 700 000 600 000 500 000 400 000 300 000 200 000 100 000 0 saisonaler Wärmespeicher ohne Solarthermie haltet das Versorgungsgebiet den Neubau einer Hochschule, bei dem ein Vorlauf von rund 50 °C und ein Rücklauf von rund 30 °C angesetzt werden. Als Wärmeerzeuger stehen ein Biomasse- Vergaser mit nachgeschaltetem BHKW (thermische Leistung: 380 kW, elektrische Leistung: 180 kW), eine Abwasser- Wärmepumpe (Abwasser-Wärmeentzugsleistung: 292 kW), 1 000 m 2 Freifläche für dezentrale Speicher Dezentrale Speicher Hochtemperaturspeicher Mitteltemperaturspeicher Saisonaler Speicher Hochschule Liegenschaftsgelände Speicher - Instandsetzung Speicher - Investition Solarthermie- Instandsetzung Solarthermie - Investition Wärmepumpe - Betriebsmittel Wärmepumpe - Instandsetzung Wärmepumpe - Investition Vergaser + BHKW - Betriebsmittel Vergaser + BHKW - Instandsetzung Vergaser + BHKW - Investition Primärnetz - Betriebsmittel Primärnetz - Investition Detailplanung, Genehmigung Messung, Monitoring, Nebenanlagen Heizzentrale Hausübergabestationen Netzkosten Hochschule Netzkosten Liegenschaft Bild 6 Aufgeschlüsselte jährliche Kostenbilanz für die verschiedenen Speicherkonzepte. Solarthermie und das Fernwärmenetz der Stadtwerke Rosenheim zur Verfügung. Da Wärmepumpen vor allem bei niedrigen Temperaturen effizient arbeiten, soll diese mit den Hochtemperaturerzeugern BHKW und dem Fernwärmenetz in Reihe geschaltet werden. Diese gleichzeitige Betriebsweise hat zudem den Vorteil, dass die Wärmepumpe den Strom aus dem BHKW direkt vor Ort verwenden kann. Bilder (6): FfE Eine genauere Analyse des Systems ist [3] zu entnehmen. Bild 3 zeigt das erste Speicherkonzept, das alle vier möglichen Wärmeerzeuger, einen saisonalen Speicher und einen Kurzzeitspeicher beinhaltet. In diesem Konzept verfolgt der Einsatz des Kurzzeitspeichers zwei Ziele: Zum einen erfolgt eine Zwischenspeicherung von solarthermischer Wärme, wenn diese Temperaturen über 70 °C erreicht. Zum anderen ermöglicht der Speicher den kontinuierlichen Betrieb des BHKW. Der saisonale Wärmespeicher puffert die Wärme aus der Solarthermie, wenn diese auf einem zu niedrigen Temperaturniveau erzeugt wird und somit in dem untersuchten Versorgungsgebieten nicht direkt genutzt werden kann. Dies ist vor allem im Winter der Fall. Zudem kann der saisonale Speicher als Puffer für, vor allem im Sommer erzeugte, solarthermische Hochtemperaturwärme eingesetzt werden, wenn der Kurzfristspeicher gefüllt ist. Die hydraulische Entkopplung von der Wärmepumpe und den Hochtemperatur-Wärmeerzeugern (BHKW, Primärnetz) erfolgt ebenfalls über eine entsprechende Schichtung im saisonalen Speicher. Bild 4 zeigt das zweite Speicherkonzept, das nur drei der möglichen Erzeuger nutzt. Als zentrale Speicher werden ein Mittel- (MT; 30 bis 65 °C) und ein Hochtemperaturspeicher (HT; 50 bis 90 °C) eingesetzt, wobei sich die Bezeichnungen MT und HT auf das Temperaturniveau des Wärmenetzes beziehen. Außerdem befinden sich in den Gebäuden weitere dezentrale HT-Speicher. Das dritte Speicherkonzept entspricht dem zweiten, jedoch sind hier keine dezentralen Speicher im Einsatz. In diesen beiden Speicherkonzepten wird der HT-Speicher ausschließlich für den kontinuierlichen Betrieb des BHKW genutzt, und der MT-Speicher ermöglicht die Einbindung der Wärmepumpe. Die dezentralen Speicher werden in Konzept 2 eingesetzt, um Netzverluste in Zeiten, in denen keine Raumwärme benötigt wird, zu reduzieren. Hierfür werden die dezentralen Speicher ein- oder zweimal täglich über das Wärmenetz geladen, sodass aus diesen der Wärmebedarf zwischen den Ladevorgängen bereitgestellt werden kann. Somit muss das Wärmenetz zwischen den Ladevorgängen nicht umgewälzt werden, und es kühlt aus. Ergebnisse In dem Konzept mit saisonalem Wärmespeicher liegt der Anteil erneuerbarer 48 BWK Bd. 71 (2019) Nr. 1/2

EnergieForum Energien an der Wärmeerzeugung bei 86 % und somit um 20 Prozentpunkte höher als bei den anderen beiden Konzepten. Dies ist zum einen mit der Integration der Solarthermie zu begründen und zum anderen dadurch, dass der Saisonalspeicher einen kontinuierlicheren Betrieb des BHKW ermöglicht. Die Aufteilung der Wärmeverluste im Versorgungsgebiet je Speicherkonzept ist in Bild 5 dargestellt. Die Wärmeverluste untergliedern sich in die Netzverluste der Liegenschaft beziehungsweise der Hochschule und die Verluste der verschiedenen Speicher. Das Speicherkonzept mit saisonalem Speicher weist die höchsten Wärmeverluste auf. Das Speicherkonzept mit dezentralen Speichern besitzt durch die erhöhte Anzahl der Speicher höhere Speicherverluste, trotzdem sind die gesamten Verluste aufgrund der geringeren Netzverluste niedriger. Bild 6 zeigt eine Aufschlüsselung der jährlichen Kostenbilanz für die verschiedenen Speicherkonzepte. Hierbei sind sowohl Investitions- und Instandsetzungskosten als auch die Betriebskosten von dem betrachteten Speicherkonzept abhängig. Das Speicherkonzept mit saisonalem Wärmespeicher weist durch die Solarthermie und dem Saisonalspeicher höhere Investitions- und Instandhaltungskosten pro Jahr auf als die anderen beiden Konzepte. Die Betriebsmittelkosten, die schraffiert dargestellt sind, hängen mit dem Anteil der eingesetzten Wärmeerzeuger zusammen und unterscheiden sich nur minimal. Mit 68 bis 74 % der Gesamtkosten macht in allen drei Konzepten der Biomassevergaser mit nachgeschalteten BHKW den größten Anteil aus, da sowohl die Investitionen, die Instandsetzungs- als auch die Betriebsmittelkosten sehr hoch sind. Dies ist vor allem mit dem hohen Innovationsgrad des angesetzten Vergaser-Modells zu begründen. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass der Strom aus dem BHKW in der Wärmepumpe verwendet wird, dieser aber kostenseitig nicht der Wärmepumpe zugerechnet wird. Der Anteil der Speicher an den Gesamtkosten ist extrem gering. Bei dem Konzept mit saisonalem Wärmespeicher liegt der Anteil der Investitionen und Instandhaltungskosten an den Gesamtkosten bei nur 2,3 %, und bei den anderen beiden Konzepten ist er kleiner als 1 %. Aufgrund dieser geringen Auswirkung der Speicherkosten, liegen die aus den verschiedenen Speicherkonzepten resultierenden Wärmegestehungskosten relativ nah beieinander. Das Speicher - konzept mit saisonalem Wärmespeicher hat dabei jeweils den größten Gestehungspreis mit 14,4 Ct/kWh, und die anderen Speicherkonzepte haben etwas niedrigere Wärmegestehungskosten mit 14,1 Ct/kWh. Im Vergleich liegen die spezifischen CO 2 -Emissionen (inklusive Verteilverluste usw.) bei einem Referenzsystem mit Erdgas bei 202 g CO 2 /kWh, hier jedoch nur bei rund 27 g CO 2 /kWh. Literatur [1] Energiebilanz der Bundesrepublik Deutschland 2016. Berlin: AG Energiebilanzen e. V., 2018. [2] Pehnt, M. et al.: Wärmenetzsysteme 4.0 – Endbericht – Kurzstudie zur Umsetzung der Maßnahme „Modellvorhaben erneuerbare Energien in hocheffizienten Niedertemperaturwärmenetzen“. Heidelberg, Berlin, Düsseldorf, Köln: Adelphi, 2017. [3] Kleinertz, B. et al.: Machbarkeitsstudie eines Wärmenetzes 4.0 – Transformation des Bestandsnetzes des Liegenschaftsgeländes der Bundespolizeiinspektion Rosenheim und Erweiterung um die Hochschule Rosenheim. München: Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V., 2018. [4] Faber, T.: Vergleich und Bewertung verschiedener Speicherkonzepte für Nahwärmenetze der 4. Generation. Masterarbeit. Herausgegeben durch Hochschule für angewandte Wissenschaften und Kunst, betreut durch die Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V., München, 2018. [5] Sterner, M.; Stadler, I.: Energiespeicher – Bedarf – Technologie – Integration. Berlin, Heidelberg: Springer, 2014. Fazit Zwar ermöglicht das Konzept mit saisonalem Wärmespeicher eine erhöhte Integration erneuerbarer Wärmequellen, die resultierenden Wärmegestehungskosten liegen jedoch höher als bei den anderen beiden Konzepten. Der Unterschied zwischen den anderen beiden Konzepten liegt vor allem in der Reduktion der Netzverluste durch die dezentralen Speicher. Aufgrund der hierdurch steigenden Investitionen entstehen keine relevanten Kostenunterschiede zwischen den Konzepten. Für das Konzept mit dezentralen Speichern ist jedoch mit einem erhöhten Regelaufwand zu rechnen, was in der realen Umsetzung ein wichtiges Hemmnis sein könnte. Für mögliche Erlöse beziehungsweise Vergünstigungen beim Strombezug könnten Preisspreads an den Spotmärkten genutzt und darüber hinaus die Flexibilität in den Regelleistungsmärkten vermarktet werden. Potenziell ist hierfür ein Konzept geeignet, in dem Stromverbraucher und -erzeuger mit einem flexiblen und voluminösen Speicher gekoppelt sind. Soll die Laufzeit des BHKW gesteigert werden, sind hierfür vor allem der saisonale Wärmespeicher und die dezentralen Speicher geeignet. Hingegen ist zu Zeiten, in denen viel Strom verbraucht werden soll, für eine Wärmepumpe mit starrer Zieltemperatur nur der MT-Speicher beziehungsweise die entsprechende Schicht im Saisonalspeicher als Flexibilität vorhanden. Steigert man zu diesen Zeiten die Zieltemperatur der Wärmepumpe, resultiert dies zum einen in einer niedrigeren Effizienz und somit einem höheren Stromverbrauch, zum anderen ist dann ebenfalls die Flexibilität der dezentralen Speicher nutzbar. Bei der Wahl des geeigneten Speicherkonzeptes für Wärmenetze der 4. Generation sind neben den Wärmeverbrauchern und -erzeugern auch das Temperaturniveau kritisch zu analysieren. Die Verwendung von Wärmespeichern auf unterschiedlichen Temperaturniveaus ermöglicht die effiziente Einbindung von Nieder- und Hochtemperaturwärmequellen und somit die Serienschaltung dieser. Aktuell werden zwar primär wasserbasierte Behälterspeicher eingesetzt, in der Industrie und mobilen Anwendungen ist jedoch mit einer steigenden Bedeutung anderer Speichermedien zu rechnen. [6] Maier, M.: Großwärmespeicher – Zentraler Baustein einer flexiblen Strom- und Wärmeversorgung. Berlin: Agentur für Erneuerbare Energien e. V., 2017. [7] Mangold, D.: Saisonalspeicher. www.saisonalspeicher.de. (Abruf am 31.7.2018); Stuttgart: Solites, 2018. [8] Hauer, A. et al.: Wärmespeicher. Stuttgart: BINE Informationsdienst, 2013. [9] Fact sheet Speichertechnologien – Sorptionsspeicher. Berlin: Bundesverband Energiespeicher e. V. (BVES), 2016. [10] Sterner, M.; Stadler, I.: Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration. Heidelberg: Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH, 2014. [11] Thermochemische Speicher. BINE Informationsdienst. Eggenstein-Leopoldshafen: Fachinformationszentrum Karlsruhe GmbH, 2001. [12] Rundel, P.; Meyer, B.; Meiller, M.; Meyer, I.; Daschner, R.; Jakuttis, M.; Franke, M.; Binder, S.; Hornung, A.: Speicher für die Energiewende. Sulzbach- Rosenberg: Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheitsund Energietechnik UMSICHT, 2013. BWK Bd. 71 (2019) Nr. 1/2 49

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