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Einsatz von Wärmespeichern und Power-to-Heat-Anlagen in der Fernwärmeerzeugung

EnEff:Wärme - Forschung für energieeffiziente Wärme- und Kältenetze

In Mannheim ging im Herbst 2013 der leistungsstärkste Fernwärmespeicher Deutschlands in Betrieb.

© Großkraftwerk Mannheim Aktiengesellschaft

Projektsteckbrief

Projektstatus Projektstatus: Phase 1Konzept
Projektthemen

Projektbeschreibung

Eine größere Flexibilisierung von KWK-Anlagen lässt sich durch die Integration thermischer Speicher in Fernwärmenetze erreichen, weil dadurch eine zeitliche Entkopplung der Lieferung von Strom und Wärme ermöglicht wird und somit die Stromerzeugung von KWK-Anlagen besser an den Strombedarf bzw. die Residuallast angepasst werden kann. Mit Hilfe von E-Heizern und Wärmepumpen (Power-to-Heat-Anlagen) lässt sich der Strom- und Wärmesektor koppeln, womit Strom aus erneuerbaren Energien für die Fernwärmebereitstellung genutzt werden kann. In diesem Forschungsprojekt wird untersucht, unter welchen Randbedingungen die Investition in den Bau eines Wärmespeichers und einer Power-to-Heat-Anlage wirtschaftlich ist und welche Verbesserungen sich aus umweltpolitischer Sicht ergeben. Damit kann die Studie Betreiber bei der Investitionsentscheidung unterstützen sowie eine Basis für die zukünftige Diskussion der politischen Rahmenbedingungen darstellen. Das Projekt wird an der TU Berlin in Zusammenarbeit mit der Universität Leipzig, der Hochschule Hannover sowie mit Beratung durch Industriepartner durchgeführt.

Projektziele, Arbeitsprogramm

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, für unterschiedliche technische und ökonomische Rahmenbedingungen die Vorteile von thermischen Speichern und Power-to-Heat-Anlagen als Erweiterungsmaßnahmen in Fernwärmesystemen zu ermitteln. Hierfür wird ein mathematisches Modell entwickelt, das das Verhalten verschiedener KWK-Anlagen, von Heißwassererzeugern und elektrischer Wärmebereitstellung durch Heizstäbe oder Wärmepumpen in Zusammenhang mit Wärmespeichern abbildet. Für die verschiedensten Eingangsdaten wird die Betriebsweise der einzelnen Anlagen innerhalb des Systems unter wirtschaftlichen Aspekten optimiert. Aus der Auswertung der Ergebnisse für unterschiedliche Systemkonfigurationen (mit und ohne einzelne Erweiterungstechnologien) können die marktgetriebenen Einflüsse der einzelnen Erweiterungstechnologien und deren Kombination auf das Energiesystem ermittelt werden. Des Weiteren werden die Ergebnisse auf das Energiesystem Deutschland projiziert, um den Beitrag verschiedener Ausbaustufen von Wärmespeichern in deutschen Fernwärmenetzen zu folgenden Punkten zu ermitteln:

  • Funktionale Stromspeicherung und Erhöhung der Stromerzeugung aus KWK-Anlagen
  • Erhöhung des KWK-Deckungsgrades sowie Reduktion des Primärenergieeinsatzes und der CO2-Emissionen der Fernwärmeerzeugung.

Abschließend wird untersucht, welchen Nutzen Wärmespeicher und Power-to-Heat-Anlagen zur Erbringung von Sekundärregelleistung und Minutenreserve haben und somit welchen Beitrag sie zur Systemstabilität leisten können. 

Konzeption, Modellierung

Bei der Flexibilisierung eines Fernwärme-Versorgungssystems mit Wärmespeicherung und elektrischer Wärmebereitstellung ist entscheidend, wie der Anlageneinsatz ökonomisch optimiert werden kann. Hierbei gilt es, zeitschrittübergreifende Freiheitsgrade unter Berücksichtigung ökonomischer Randbedingungen sowie der Wärmelast optimal zu nutzen. Typische Freiheitsgrade sind u. a. Zeitpunkt und Zeitrahmen des Anlagenbetriebs, in welchem Lastpunkt die Anlage betrieben und wann und mit welcher Leistung der Wärmespeicher be- oder entladen wird.

Aufgrund des Umfangs des Optimierungsmodells und der gewünschten Abbildungsgenauigkeit ist der gewählte Ansatz eine gemischt-ganzzahlige Optimierung: Zu Beginn werden repräsentative Fernwärme- und KWK-Systeme analysiert und eine typische Zusammenstellung von Erzeugern und Eigenschaften des Netzes festgelegt. Anschließend werden die Wärmenachfrage und die Fahrweise der Vorlauftemperatur definiert. Als Grundlage für die Optimierung werden zudem die ökonomischen Randbedingungen, das dynamische Verhalten von Wärmespeichern sowie stationäre und dynamische Anlagencharakteristika von KWK-Anlagen benötigt.

Die Analyse und dynamische Modellierung verschiedener Wärmespeicher wird von der Hochschule Hannover durchgeführt und generiert die Eingangsdaten in das übergeordnete Optimierungsmodell. Die Universität Leipzig erstellt auf Grundlage eines Fundamentalmodells des europäischen Kraftwerkparks verschiedene Szenarien, um die zukünftigen Stromnachfrage und -preise (Großhandelsstundenkontrakte und Regelleistungspreise) zu prognostizieren.

Die Industriepartner unterstützen das Projekt durch ihr technisches Wissen bei der Auswahl der Annahmen und Eingangsdaten. Zudem werden Charakteristika verschiedener realer KWK-Anlagen zur Verfügung gestellt.

Neben den Eigenschaften bestehender Anlagen der Industriepartner werden an der TU Berlin thermodynamische Kraftwerkssimulationen durchgeführt, um die notwendigen Eingangsdaten für weitere typische KWK-Anlagen zu gewinnen. Mit den so definierten Eingangsdaten werden Optimierungsrechnungen durchgeführt und folgende Kriterien genauer betrachtet:

  • Wirtschaftlichkeit von Wärmespeichern, E-Heizern und Wärmepumpen,
  • Flexibilisierung des bestehenden Heizkraftwerkparks,
  • Bereitstellung von Regelenergie,
  • Erhöhung der gesamten Energieeffizienz und
  • Primärenergieeinsparung und Reduktion von CO2-Emissionen.

Die Optimierung liefert eine stunden- und blockscharfe Fahrweise aller beteiligten Anlagen und Wärmespeicher, so dass die betrachteten Kriterien im Vergleich zum Referenzfall genau beurteilt werden können.

Veröffentlichungen
  • Schuchardt (née Bestrzynski), Georg K.; Holler, Stefan, Olbricht, Michael: Energetic performance of short term thermal storages in urban district heating networks. In: Proceedings of the 14th International Symposium on District Heating and Cooling, Stockholm, 2014.
  • Christidis, Andreas; Mollenhauer, Eike; Tsatsaronis, George: Einsatz thermischer Speicher zur Flexibilisierung von Heizkraftwerken. In: Kraftwerkstechnik 2015 - Tagungsband des 47. Kraftwerkstechnischen Kolloquiums, S. 779- 789, Dresden, 2015.
  • Mollenhauer, Eike; Christidis, Andreas; Tsatsaronis, George: Evaluation of an energy- and exergy-based generic modeling approach of combined heat and power plants. In: International Journal of Energy and Environmental Engineering, 2016, 7(2): 117-176, DOI: 10.1007/s40095-016-0204-6.