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Exergetische Optimierung der Fernwärmeversorgung in Ulm

EnEff:Wärme - Forschung für energieeffiziente Wärme- und Kältenetze

Netzplan der Fernwärmeversorgung in Ulm.

© Fernwärme Ulm GmbH

Projektsteckbrief

Projektstatus Projektstatus: Phase 1Konzept
Projektthemen

Projektbeschreibung

Ausgangssituation in Ulm

Der Wärmemarkt stellt sich in der kleinen Großstadt Ulm mit ca. 120.000 Einwohnern als Besonderheit dar: Die Fernwärme deckt heute ca. 50% des gesamten Wärmebedarfs. Das Versorgungsgebiet erstreckt sich auf die Innen- und Weststadt, Böfingen/Eichberg, das Universitätsviertel auf dem Eselsberg, den Bereich Kuhberg sowie auf die heute noch von den übrigen Netzteilen unabhängigen Netze in den südlichen Stadtteilen Industriegebiet Donautal und Wohngebiet Wiblingen. Die Temperaturabsenkung und die ganzheitliche Betrachtungsweise einer Dampfnetzumstellung sind Grundlagen für die nächsten Schritte zur exergetisch optimierten Fernwärme. Um diesen Prozess zur exergetischen Effizienzsteigerung weiter zu verfolgen, sucht die FUG konsequent weitere Möglichkeiten zur Absenkung der heutigen Vor- und Rücklauftemperaturen, ohne die Versorgungsqualität der Kunden zu beeinträchtigen. Grundsätzlich ist die Absenkung der Rücklauftemperatur ein probates Mittel, um die Netztemperatur langfristig auch im Vorlauf absenken zu können. Allerdings sind der Rücklaufanbindung von Wärmekunden technische Grenzen gesetzt. So müssen ab einer Grenzleistung am Rücklauf flächige Gebiete an die Rücklauftemperatur angepasst werden, da weitere Einzelanschlüsse nicht mehr sinnvoll sind.

Dampfnetzumstellung als Grundlage einer exergetisch optimierten Fernwärme

Mit der Erarbeitung eines detaillierten Konzeptes zur Umstellung des innerstädtischen Dampfnetzes auf Heizwasser wurde ein Grundstein für eine strukturelle Neugestaltung der Fernwärme gelegt: Die im zentralen HKW Magirusstraße erzeugte Energie wird durch die deutliche Reduzierung der Vorlauftemperaturen (Dampfnetz: 180°C, zukünftiges Heizwassernetz: 120°C gleitend) und die damit einhergehende Erhöhung der Stromkennziffer exergetisch effizienter genutzt werden. Im Rahmen der Detailuntersuchung der Dampfnetzumstellung wird das Fernwärmesystem ganzheitlich betrachtet. Und die FUG sucht konsequent weitere Möglichkeiten zur Absenkung der heutigen Vor- und Rücklauftemperaturen, ohne die Versorgungsqualität der Kunden zu beeinträchtigen.

Ziele, Arbeitsansätze

In Ulm wurden zwei exemplarische Ansätze untersucht:

  1. Die Reduzierung der Vorlauftemperatur der Universitätsleitung von derzeit 180°C konstant auf maximal 120°C bei gleitender Fahrweise.
  2. Die konsequente Absenkung der Netztemperaturen, insbesondere der Rücklauftemperaturen im vorhandenen Fernwärmenetz bei der Versorgung von Neubauten und sanierten Altbauten. Beide Ansätze bedürfen einer engen Zusammenarbeit mit den wichtigsten Kunden und führen letztlich
    zu einer besseren Ausnutzung der an den Erzeugeranlagen bereitgestellten Wärme. Die verbesserte Ausnutzung der Wärme geht einher mit einer exergetischen Optimierung, da beide Fälle zu verringerten Rücklauftemperaturen führen. Dies wiederum ermöglicht die Anhebung der Stromkennziffer in den KWK-Anlagen.
Teilprojekt 1: Temperaturabsenkung der Universitätsleitung

Die FUG betreibt die Universitätsleitung seit 1995 als Heizwasser-Versorgungsleitung vom HKW Magirusstraße zur Universitätsstadt auf dem Eselsberg. Dort stehen zusätzlich zwei gasgefeuerte Heizkessel zur Spitzenlastabdeckung zur Verfügung. Als Anforderung ist von der Universität und deren nachgelagerten Kunden eine ganzjährige Vorlauftemperatur von 180°C formuliert worden. Diese Vorgabe im Vorlauf erfüllend versorgt die FUG einige Kunden entlang der Verbindungsleitung aus dem i.d.R. mindestens 90°C warmen Rücklauf. Tatsächlich ist zu beobachten, dass die Rücklauftemperatur zu Schwachlastzeiten im Sommer oder in der Übergangszeit mit z.T. 120°C deutlich darüber liegt, da die zur Verfügung gestellt Arbeit und Leistung nicht nachgefragt wird. Die hohe Vorlauftemperatur von 180°C nutzend wird in der Wissenschaftsstadt eine zweistufige Absorptionskälte-Maschine betrieben, die ein Fernkältenetz versorgt. Daneben liegen weder der FUG noch dem verantwortlichen Universitätsdezernat derzeit gesicherten Kenntnisse vor, welche sonstigen Prozesse aktuell diese hohen Vorlauftemperaturen benötigen und welche Perspektiven die einzelnen Hochtemperaturwärmekunden hinsichtlich der Temperaturanforderungen im Bereich der Wissenschaftsstadt verfolgt werden. Festzustellen ist lediglich, dass im Laufe der nächsten Jahre Maßnahmen z.B. in der Chirurgie anstehen und durch die frühzeitige Vorlage eines neuen Temperatur- und Versorgungskonzeptes eine Manifestation der heutigen Temperaturanforderungen für die nächsten zehn bis 15 Jahre verhindert werden kann.

Im Zuge einer exergetischen Optimierung sowie einer Vereinheitlichung der Netzparameter ist grundsätzlich zu hinterfragen, ob diese hohen und überdies ganzjährig konstanten Vorlauftemperaturen tatsächlich erforderlich sind. Durch die Absenkung und ggf. gleitende Fahrweise der Vorlauftemperaturen können zwei die Gesamteffizienz der Versorgung verbessernde Maßnahmen erwartet werden: Die Verringerung der Transportverluste und die Erhöhung der Stromkennziffer im HKW Magirusstraße durch Nutzung eines günstigeren Auskopplungsniveaus (z.B. bei geringeren Drücken).

Teilprojekt 2: Reduzierung der Rücklauftemperaturen im vorhandenen Netz

Die Rücklauftemperatur in der innerstädtischen Ulmer Fernwärmeversorgung liegt heute bei ca. 62°C am HKW Magirusstraße. Im Allgemeinen kann davon ausgegangen werden, dass die älteren Kunden eine Rücklauftemperatur von etwa 65°C aufweisen, während neuere Kundenanschlüsse 50°C als Rücklauftemperatur einhalten können. Um die exergetische Qualität der Fernwärme weiter zu entwickeln, ist z.B. eine Versorgung von Kunden aus dem Rücklauf ein möglicher Lösungsansatz. Damit kann das Ziel geringerer Rücklauftemperaturen erreicht werden, was zugleich zu einer veränderten Preisstruktur führen kann, die an die Rücklauftemperatur gekoppelt ist. Dadurch wiederum wird die Implementierung von LowEx-Gebäudetechnik befördert, die ebenfalls zu geringeren Rücklauftemperaturen führt. Dieser Lösungsansatz hat nicht nur in Ulm Modellcharakter: Fernwärme ist heute vornehmlich in höher- und hochverdichteten Stadtvierteln zu finden, die zum Teil flächendeckenden Sanierungsbedarf aufweisen. Beispielsweise sind es Wohnblöcke von Wohnungsbaugesellschaften, die – wie auch in Ulm – häufig fernwärmeversorgt sind: Eine Sanierung dieser Wohnblöcke mit teilweise deutlich über 100 Wohneinheiten werden von den Wohnungsbaugesellschaften in der Regel flächenhaft vorgenommen. Folglich kann ein betreffender Wohnblock aufgrund zu geringer Wärmedichten im herkömmlichen Sinne als nicht fernwärmewürdig gelten. Eine typische Grenze sind Wärmedichten um die 30 MW/km2. Ähnliches gilt heute in Ulm für Neubaugebiete, die anders als die Altbau-Sanierungsgebiete selten innerstädtisch zu finden sind, aber ebenfalls flächigen Charakter haben. Neben den Anschlussleistungen sinken auch die Temperaturanforderungen. So ist eine Versorgung mit geringeren Vorlauftemperaturen als heute in der Fernwärme üblich denkbar. Allerdings kommt der Hygienisierung bei der Brauchwarmwasserbereitung zur Vermeidung von Legionellen eine besondere Bedeutung zu.

Anforderungen der Wohnungsbaugesellschaften

Eine Besonderheit des Ulmer Forschungsvorhabens ist es, dass die Kundenseite – in Form der zwei größten Ulmer Wohnungsbaugesellschaften - eingebunden ist; die ulmer heimstätte (uh) und die Ulmer Wohnungs- und Siedlungs-Gesellschaft (UWS). Als Vertreter der Wohnungswirtschaft haben uh und UWS exemplarisch einige Prämissen an die Heizungssysteme formuliert: Die Lösungen sollen "hausmeistergerecht" sein und hohen Belastungen durch häufige Mieterwechsel standhalten - bei möglichst geringem Wartungsaufwand. Zugleich müssen die Lösungen ein Höchstmaß an Versorgungssicherheit bieten. Unter Beachtung der zuvor beschriebenen Prämissen der Wohnungswirtschaft fällt die Option Flächenheizung an Wänden und Decken grundsätzlich aus. Flächenheizungen an Wänden und Decken sind nicht "kompatibel" mit den Anforderungen der Wohnungswirtschaft an die Praktikabilität. Problematisch sind die einhergehend en Restriktionen im Zusammenhang mit hohen Fluktuationen der Mieter und Teilen des Mieterklientels. Im Ergebnis sind neben konventionellen Heizkörpern Fußbodenheizungen als Flächenheizsysteme einsetzbar.

Anforderungen an die Trinkwarmwasserbereitung

Aus der TWW-Bereitung mit Speichersystemen ergeben sich höhere Rücklauftemperaturen, die in weiten Teilen des Jahres über 60°C liegen. Hintergrund ist die Maßgabe der Legionellenprophylaxe gemäß Trinkwasserrichtlinie. Als technische Lösung soll in Ulm ein Anschluss gewährleistet werden, der bei Netz-RL-Temperaturen unter 65°C und Brauchwarmwasserbetrieb die nötigen Temperaturen bereitstellt und der trotzdem zulässt größtmögliche Wassermengen aus dem primären Rücklauf zur Raumheizung einzusetzen.

Einflüsse abgesenkter Rücklauftemperaturen auf Wärmeverteilung und -erzeugung

In der Wärmeverteilung hat die Rücklauftemperatur an zwei Stellen Einfluss auf die Effizienz des Fernwärmesystems: Durch die Reduzierung der Wärmeverluste sowie die Reduzierung des Pumpstromaufwandes. Eine Absenkung der Rücklauftemperatur reduziert in direktem Maß die Wärmeverluste  der Wärmeverteilung, da sich die treibende Temperaturdifferenz zwischen Medium und Umgebung reduziert. Je höher der Wärmedurchgangskoeffizient des Leitungsrohres ist, desto höher ist die Einsparung bei den Wärmeverlusten. Aufgrund der jahresmittleren Temperaturunterschiede in der Fahrweise zwischen Vor- und Rücklauf, entfällt auf den Rücklauf ein Anteil von ca. 30-35% der gesamten Wärmeverluste. Erreicht man eine realistisch mögliche Reduzierung der Rücklauftemperatur von 65°C auf 50°C, dann würden sich die Wärmeverluste im Rücklauf um ca. 27% reduzieren. Da die Rücklaufwärmeverluste nur rund ein Drittel der Gesamtwärmeverluste ausmachen, reduzieren sich die Wärmeverluste insgesamt nur um ca. 9%.

Die Auswirkungen einer Rücklauftemperaturveränderung auf den Kraftwerksprozess wurden modellhaft für die zwei typischen KWK-Erzeugungskonfigurationen (Entnahme-Gegendruck-HKW und Entnahme-Kondensations-HKW) mit Hilfe von Simulationsrechnungen untersucht. Ergebnis für Kraftwerkstyp 1: Durch die sinkende Rücklauftemperatur kann der Dampf im Heizkondensator besser ausgekühlt werden und die Enthalpie des Kondensats sinkt. Betrachtet man beispielsweise eine Heizleistung von 100 MW, so beträgt die Strommehrerzeugung je K Rücklauftemperaturabsenkung ca. 0,08 MW/K. Beim Entnahme-Kondensations-HKW findet im Wesentlichen eine Verschiebung von Kondensationstrom zu KWK-Strom statt. Deshalb ändert sich die Gesamtstromerzeugung geringfügiger als beim Entnahme-Gegendruck-HKW.

Beispielprojekt Mehrfamilienhaus Sedanstraße

Derzeit errichtet die Ulmer Wohnungs- und Siedlungsgesellschaft (UWS) in der Sedanstraße ein Mehrfamilienhaus mit 70 Wohneinheiten, für das 160 kW Anschlusswert zur Verfügung gestellt werden. Die Trinkwasser-Erwärmung wird durch ein Durchflussfrischwassersystem vorgenommen. Für das Neubauprojekt wird exemplarisch ein sog. Dreifachanschluss realisiert. Nach Installation der Fernwärme-Hausstation wird ein begleitendes Messprogramm den Probebetrieb der Hausstation und das erste Betriebsjahr überwachen. Bei ggf. notwendigen Optimierungsmaßnahmen wird die Messphase erweitert.

Exergetische Bewertung der Temperaturabsenkung

Für den Mehrfamilienhaus-Neubau in der Sedanstraße wurde die exergetische Effizienz verschiedener Versorgungslösungen verglichen:

  • Fernwärmeversorgung aus dem Vorlauf mit einer Jahresmitteltemperatur von 90 °C,
  • Fernwärmeversorgung aus dem Vorlauf mit einer Jahresmitteltemperatur von 70 °C,
  • Fernwärmeversorgung aus dem Rücklauf mit einer Rücklauftemperatur von 65 °C für die TWW-Erwärmung und 55 °C für die Raumheizung,
  • Gasbrennwertkessel,
  • Wärmepumpe.

Für die Bewertung wurden zwei Bilanzkreise betrachtet. Der erste Bilanzkreis umfasst die Wärmebereitstellung am Gebäude bis zur Übergabe der Nutzwärme an die Raumheizung und die TWW. Im den Bilanzkreis der Fernwärme sind die Wärmeverluste und der Pumpstromaufwand integriert. Der zweite Bilanzkreis ist weiter gefasst und berücksichtigt auch den Strombedarf des Gebäudes und die Strombereitstellung. Im Bilanzkreis der Fernwärme ist die gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme mit enthalten. Die Berechnungen führten zu einer exergetischen Effizienzbewertung der Wärme- und Strombereitstellung verschiedener Wärmeversorgungssysteme für das Neubau-Projekt.


Zusätzliche Informationen:

Netzbetreiber, Forschung, Planung
Fernwärme Ulm GmbH
Forschung, Planung
GEF Ingenieur AG
Planung TGA Sedanstr.
Zieher Technic
Forschung
Hochschule Biberach