Masterarbeit Patrick Moes

 

Entwicklung und Analyse eines Konzepts für ein Wärmepumpen-Heizwerk mit Abkältenutzung

Die Verschärfung der Energieeinsparverordnung (EnEV) erfordert neue Technologien zur Senkung des Energiebedarfs und der Steigerung des Einsatzes von regenerativen Energien im Bereich der Wärme- und Kälteerzeugung. Ein großes Potential zur Deckung der Wärmeerzeugung in urbanen Regionen birgt die Nutzung industrieller Niedertemperaturabwärmequellen. Dazu müssen die Niedertemperaturabwärmequellen in Anergienetzen mit Wärmepumpen kombiniert werden.

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung ob sich ein solches Konzept am Beispiel eines Neubaugebiets im Münchener Norden realisieren lässt. Die Realisierbarkeit wird hinsichtlich energetischer, primärenergetischer, ökologischer und wirtschaftlicher Aspekte geprüft. Zusätzlich wird die wirtschaftliche Umsetzbarkeit im Vergleich zur heutigen verwendeten Fernwärme der Stadtwerke München überprüft. Entwickelt und untersucht werden 60 Wärmeversorgungskonzepte mit einer Fernwärmeversorgung durch ein zentrales Heizwerk. Fünf Modellen mit unterschiedlichen Fernwärmestrukturen und zentralen sowie dezentralen Erzeugungsmöglichkeiten des Trinkwarmwasserbedarfs werden berücksichtigt. Jedes Modell wird hinsichtlich der Spitzenlastdeckung in jeweils drei Varianten unterteilt. Die Varianten E-Heizer zur direkten Deckung der Spitzenlast, Langzeitspeicher sowie ein Blockheizkraftwerks zur Eigenstromerzeugung werden untersucht. Jede Variante wird weiterhin in zwei Speichertemperaturen unterteilt. Dabei findet eine Betrachtung in der jeweiligen Systemtemperatur, sowie bei 60 °C statt. Zusätzlich wird neben dem reinen Heizbetrieb auch die Möglichkeit der Abkältenutzung berücksichtigt und nach den genannten Aspekten beurteilt.

Zur Auslegung der Wärmeversorgungskonzepte wird der Umfang der zur Verfügung stehenden Niedertemperaturabwärme und des zukünftigen Wohngebiets geklärt. Möglichkeiten zur Wärmeversorgung des Wohngebiets mittels Fernwärme werden unter Beachtung der wirtschaftlichen Rahmenbedingungen bei einer Lebensdauer von 20 Jahren erarbeitet.

Die Untersuchungen der 60 Wärmekonzepte nach den genannten Aspekten zeigen im Vergleich zu der Fernwärmeversorgung durch die Stadtwerke München gute ökologische und wirtschaftliche Ergebnisse. 18 der 60 Wärmekonzepte sind zudem wirtschaftlich umsetzbar.

Die Spitzenerzeugungsvariante E-Heizer schneidet in den Aspekten Primärenergieverbrauch, Energieverbrauch sowie ökonomisch am besten ab. Die Nutzung eines BHKW kann hinsichtlich Ökologie sinnvoll sein. Wirtschaftlich ist diese Variante nur wenig schlechter als die des E-Heizers. Die Wirtschaftlichkeit der Langzeitspeichervariante ist gegenüber dem E-Heizer und BHKW weniger gegeben und weist hohe Primärenergie- und Energieverbräuche sowie CO2-Ausstöße auf. Für eine Wirtschaftlichkeit sind die Investitionskosten des Fernwärmenetzes entscheiden, ebenfalls sollte auf eine Abkältenutzung nicht verzichtet werden und eine hohe Speichertemperatur von 60 °C verwendet werden. Eine Speicherung in der jeweiligen Systemtemperatur ist unter primärenergetischen, energetischen und ökologischen Aspekten sinnvoller.

Am besten erscheint nach allen Untersuchengen das Modell des 2-Leitersystems mit einer Vorlauftemperatur von 54 °C mit E-Heizer als Spitzenlasterzeuger mit einer Speichertemperatur von 60 °C unter der Berücksichtigung der Abkältenutzung.