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Marktfähigkeit hocheffizienter KWK-Anlagen - LowEx Fernwärme

EnEff:Wärme - Forschung für energieeffiziente Wärme- und Kältenetze

Anlagenschema für Betriebsführungsoptimierung

© EVH GmbH

Projektsteckbrief

ProjektstatusProjektstatus: Phase 1 Konzept
StandortGuD-Kraftwerksgelände in Halle/Saale
ProjektfahrplanDetailliertes Modell für die GuD-Anlage über Regressionsansätze in die Betriebsführungsoptimierung implementieren, Vorbereitung Temperaturfeldmessung Großspeicher, Konzeption und Simulation Großanlage Solarthermie; Überprüfung Multiplikatorwirkung
TrägerTU Dresden (Institut für Energietechnik), Energieversorgung Halle GmbH (EVH)
Projektthemen

Projektbeschreibung

Ausgangssituation

Die Energieversorgung Halle GmbH (EVH) betreibt ein ausgedehntes Fernwärmenetz mit einer maximalen Last von derzeit ca. 250 MW. Die Wärmeeinspeisung erfolgt fast ausschließlich (zu 93,4 %) durch die GuD- Anlagen an den Standorten Dieselstraße und Trotha mit Kraft-Wärme-Kopplung. Der zertifizierte Primärenergiefaktor ist mit einem Wert von 0,065 einer der niedrigsten Werte der Bundesrepublik. Trotzdem sind bereits heute in Fernwärme-Schwachlastzeiten wirtschaftlich-technische Rahmenbedingungen vorhanden, die die Marktfähigkeit des KWK-Betriebes in Frage stellen. Dies resultiert vor allem aus der in off-peak-Zeiten extrem niedrigen Stromeinspeisevergütung bei gleichzeitig hohen Erdgaskosten aufgrund des tages- und jahreszeitunabhängigen, konstanten Arbeitspreises für den Bezug von Erdgas.

Zielsetzung

Mit dem Demonstrationsvorhaben zur Nutzung von Umweltenergie im Bereich der Fernwärmeversorgung der Stadt Halle (Saale) wird beabsichtigt, einen Beitrag zur Sicherstellung des Marktanteils von KWK-Anlagen am Energiemix, bei gleichzeitiger weiterer Steigerung der Energieproduktivität der fossilen Energieumwandlung durch GuD-Anlagen im Einsatzfeld KWK zu leisten. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Demonstration der sinnvollen gemeinsamen Nutzung von KWK und Solarthermie in einem Anlagenkonzept, da es in der überwiegenden Zahl der bisherigen Anlagen bei der Nutzung von Solarthermie im Versorgungsbereich von KWK-Anlagen zu einer Verdrängung der Wärmenutzung aus KWK-Anlagen kam.

Mit Hilfe einer umfassenden Einsatzoptimierung werden wirtschaftlich optimale Fahrweisen verschiedener, diskret variierter Anlagendimensionierungen untersucht und Empfehlungen für eine objektkonkrete erste Ausbaustufe abgeleitet.

Konzept, Ergebnisse

Zentrales Element ist die Entwicklung und Erprobung von Simulationswerkzeugen für die Hauptkomponenten des Umweltenergiesystems sowie die Erstellung eines Betriebsführungs-Optimierungstools. Letzteres erfordert es u. a. Restriktionen auf der Strom- und Wärmenetzseite zu implementieren. Die Realisierung einer ersten Ausbaustufe (Großspeicher) im Versorgungsbereich der EVH GmbH erlaubt über ein umfassendes Monitoring der TU Dresden die Validierung. Im Ergebnis stehen Aussagen zum wirtschaftlich optimierten Betrieb von KWK-Anlagen unter Einbeziehung erneuerbarer Energien zur Verfügung. Die Untersuchungen zum Einfluss von Lastverschiebungen durch Einsatz von Großwärmespeichern sind besonders vor dem Hintergrund volatiler Strompreise (fluktuierendes Dargebot Wind- und Photovoltaik-Strom) von großer Bedeutung.

Die zu entwickelnde Groß-Solaranlage wäre der erste Einsatzfall der Solarthermie für die Nutzung im direkten Fernwärme-Erzeugerbereich in der MWpeak-Klasse. Der geplante Einsatz des Wärmeträgers Wasser ohne Zusatz von Frostschutzmitteln führt zu einer signifikanten Primärenergieeinsparung durch Senkung des Hilfsenergiebedarfs, da geringere Rohrleitungsdimensionen erforderlich sind und der Tausch des Wärmeträgers entfällt. Eine Realisierung von Großanlagen ist nur durch das vorgesehene Konzept realisierbar, da Umweltforderungen den Einsatz von Frostschutzmitteln beschränken und die erforderliche Entsorgung des Wärmeträgers normaler Solaranlagen aufwendig und mit hohen Kosten verbunden ist. Grundvoraussetzung ist der Nachweis der sicheren Beherrschung der Hydraulik in Großanlagen über 5000 m² Kollektorfläche im offenen hydraulischen Verbund mit den anderen Komponenten des Umweltenergiesystems.

Der geplante Mittelfrist-Wärmespeicher mit einem aktiven Volumen von ca. 50.000 m³ stellt eine Grundsatzlösung im Bereich Wärmeversorgung dar, der ebenfalls eine wichtige Multiplikatorwirkung aufweist. Die Lastverschiebung durch zeitliche Verlagerung von Wärmeerzeugung und Wärmeverbrauch im Mittelfristbereich wird perspektivisch ein großes Einsatzfeld aufweisen. Dieses Einsatzfeld resultiert aus der Nutzung der unterschiedlichsten Primärwärmequellen, deren zeitliche Verfügbarkeit stark vom Lastprofil der angeschlossenen Wärmenutzer abweicht. Als ein Beispiel kann die Nutzung von „Überschuss“-Strom aus Windenergieanlagen in „off peak“ Zeiten für den Antrieb von Wärmepumpen dienen, deren Wärmeerzeugung in Mittelfristspeichern für eine spätere Nutzung akkumuliert wird.

Finanzierung

Forschungsförderung durch das BMWi im Rahmen von EnEff:Wärme mit Industriebeteiligung über die Anwenderseite.

Realisierung

Planungsphase Großspeicher auf Basis erster Optimierungsergebnisse

Bilanzierung/Optimierung

Erstellung eines komplexen Optimierungsmodells für die betriebskostenminimierte Fahrweise des GuD-Kraftwerks, der Spitzenlastanlage und der innovativen Umweltenergieanlagen unter Berücksichtigung der Versorgungsverpflichtungen Strom und Wärme.

Evaluierung

Ein Monitoring der Umweltenergieanlage (Leistungen, Energie) sowie Detailmonitoring Großspeicher über hoch ortsaufgelöste faseroptische Temperaturmessung sowie zugehörige Volumenströme als Basis für die Modellvalidierung ist geplant.