Bachelorarbeit Celia Burghardt

 

Bewertung der Wärme- und Kälteversorgung durch ein LowEx-Nahwärmenetz in Kombination mit dezentralen Wärmepumpen

Untersuchtes Quartier und Verlauf des thermischen Netzes Urheberrecht: EBC Untersuchtes Quartier und Verlauf des thermischen Netzes

Vor dem Hintergrund des nationalen und internationalen Zieles, dem Klimawandel entgegenzuwirken und eine Energiewende zu erreichen, wird in der Integration erneuerbarer Energien in das Versorgungssystem eine Lösung gesehen. Dabei ist in Deutschland bisher eine starke Konzentration auf den Stromsektor zu beobachten, in dem der Anteil an erneuerbaren Energien in der Produktion konstant steigt. Trotz des signifikanten Anteils von über 56 % des Wärmesektors [1] am Endenergieverbrauch verläuft die Integration regenerativer Quellen in diesem Sektor deutlich langsamer. Ein großes Potential, insbesondere die Entwicklung in der Wärmeversorgung der Gebäude voranzutreiben, wird im Einsatz thermischer Netze auf niedrigem Temperaturniveau gesehen. Diese Technologie ermöglicht die Versorgung eines gesamten Quartiers mit Wärme und Kälte mit einem großen Anteil an erneuerbaren Quellen.

Für Niedertemperaturnetze gibt es vor allem bei der Wahl des Temperaturniveaus vielseitige Gestaltungsmöglichkeiten, da dieses an lokal verfügbare Energiequellen angepasst wird. Aufgrund der bisher geringen Verbreitung derartiger Netze ist es schwierig, eine Aussage zu treffen, welche genaue Ausgestaltung für welche Anwendungsfälle optimal ist. Für den Anwendungsfall eines geplanten Quartiers, das aus verschiedenen Wohngebäuden und einer Kindertagesstätte besteht, werden in dieser Arbeit zwei thermische Netze auf verschiedenen Temperaturniveaus verglichen. Der Schwerpunkt wird dabei auf die Bewertung des Konzeptes der LowEx-Netze mit einer gleitenden Vorlauftemperatur unterhalb von 40 °C im Vergleich zu einem konventionellen Niedertemperaturnetz mit einer Vorlauftemperatur von 70 °C gelegt. Durch die niedrige und variable Temperatur, mit der das LowEx-Netz betrieben wird, wird neben der direkten Heizung der Gebäude eine direkte Kühlung ermöglicht. Andererseits ist dieses Temperaturniveau zu niedrig für die direkte TWW-Bereitung und es müssen zusätzliche, dezentrale Wärmepumpen an den Gebäuden vorgesehen werden.

Für den beschriebenen Anwendungsfall wird untersucht, ob die Energieversorgung durch ein LowEx-Netz unter energetischen, ökologischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten sinnvoll im Vergleich zu einem klassischen Niedertemperaturnetz ist. In beiden Netzen wird als Quelle eine Großwärmepumpe in Kombination mit Erdwärmekollektoren vorgesehen. Das dynamische Verhalten beider Energieversorgungskonzepte wird in einer dynamischen Simulation mithilfe der Modellierungssprache Modelica untersucht. Ausgehend von den Simulationsergebnissen werden die thermischen Netze auf Basis verschiedener Kriterien bewertet. Die Untersuchung ergibt eine Vorteilhaftigkeit des LowEx-Netzes. Aus energetischer Sicht ist es die effizientere Alternative: Der Gesamtbedarf an elektrischer Energie ist deutlich geringer, da ein großer Teil der Energie aus Geothermie gewonnen wird. Der geringere Strombedarf resultiert in einem deutlich geringeren Primärenergiefaktor der Wärme- und Kälteversorgung des Quartiers mit dem LowEx-Netz. Hinzu kommt, dass die CO2-Emmissionen mit 185 g/kWh erzeugter Wärme deutlich unterhalb der CO2-Emissionen des klassischen Niedertemperaturnetzes von 453 g/kWh liegen und weiterhin unterhalb der durchschnittlichen Emissionen der deutschen Fern- und Nahwärme von 280 g/kWh. Daher ist das LowEx-Netz auch ökologisch gesehen vorteilhaft. Bezüglich der Wirtschaftlichkeit ist beim LowEx-Netz mit höheren Investitionen zu rechnen als beim Niedertemperaturnetz. Diese entstehen dadurch, dass das thermische Netz mit größeren Durchmessern dimensioniert werden muss, um die gleiche Wärmemenge zu übertragen, und durch die Anschaffungskosten der zusätzlichen dezentralen WP.

Ob diese durch geringere Stromkosten in den darauffolgenden Perioden ausgeglichen wird, ist vom Strompreis und vom Kapitalmarktzins abhängig. Je höher der Strompreis und je geringer der Kapitalmarktzins, desto vorteilhafter ist das LowEx-Netz. Unter den in dieser Arbeit ermittelten Ein- und Auszahlungen für beide Netze ist das LowEx-Netz wirtschaftlicher als das Niedertemperatur-Netz.