Hydraulische Schaltungen in bestehenden Niedertemperaturnetzen
Die Dekarbonisierung der Wärmeversorgung über Fernwärmenetze erfordert eine konsequente Transformation. Dazu müssen fossile Energieträger aus früherer Planung und Umsetzung durch erneuerbare Energien ersetzt werden. Diese Transformation von Fernwärmenetzen wird oft als Schritt in die 4. und 5. Generation der Fernwärme verstanden und gilt sowohl für neue als auch bestehende Fernwärmesysteme. Für die genauen Unterschiede in der Definition der 4. und 5. Generation möchten wir auf unsere Newsletter-Ausgabe 9 verweisen. In dieser Ausgabe fassen wir beiden Generationen als Netze mit niedrigen Temperaturen sowohl im Verteilnetz als auch in den Gebäuden zusammen. Neben niedrigen Temperaturen und den damit verbundenen niedrigen Verteilverlusten liegt der Fokus der 4. und 5. Generation auf der Einbindung von erneuerbarer Wärme und Abwärme.
In der 23. Ausgabe der heatbeat Research Newsletter stellen wir einen Betrag von Sven Werner (Halmstadt University, Department of Energy and Construction Engineering) vor. Der Artikel Network configurations for implemented low-temperature district heating untersucht den hydraulischen Aufbau von bereits umgesetzten oder sich gerade in der Planung befindlichen Niedertemperaturnetzen. Daraus leitet der Artikel nicht nur die typischen Konfigurationen der frühen Umsetzung von Niedertemperaturnetzen ab, sondern beschreibt auch Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Varianten und leitet daraus die Eignung der unterschiedlichen Netzkonfigurationen für unterschiedliche Fälle ab. Besonders interessant finden wir, dass der Fokus des Artikels nicht darauf liegt alle neuen Innovationen zu sammeln, sondern sich auf tatsächliche Umsetzungen konzentriert. Sven Werner identifiziert sechs unterschiedliche Netzkonfigurationen für Niedertemperaturnetze. Diese unterscheiden sich in der Temperatur, der Anzahl der Leiter sowie in der Art und Weise wie Gebäude und Energieversorgung eingebunden werden. Für einige Konfigurationen gibt der Artikel zusätzliche Varianten an. Die sechs Hauptkonfigurationen wurden mit Hilfe von 153 untersuchten Netzen ermittelt. Der größte Unterschied zwischen den Varianten ist die Unterscheidung der Temperaturen. Niedertemperaturnetze verteilen Wärme auf dem Niveau der Abnehmer (in diesem Beitrag nennt der Artikel diese „warme Netze“), kalte Wärmenetze können dann eine Option darstellen, wenn keine Wärmequellen mit diesem Temperaturniveau zu Verfügung stehen. Dies führt zur wichtigsten Erkenntnis aus dem Artikel: Welche Konfiguration für ein Netz passend ist, hängt im Wesentlichen von der Wärmequelle und deren Temperaturniveau ab. Der Artikel ist unter https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124091 frei verfügbar.
Wie bereits oben erwähnt, werden in diesem Artikel eine Reihe umgesetzter bzw. konkret geplanter Wärmenetze untersucht. Dazu wurden insgesamt 153 Wärmenetzprojekte ausgewertet. Die Daten wurden anhand unterschiedlicher Datenquellen zusammengetragen. Viele Daten konnten dabei aus vergangenen und aktuellen Projekten der Internationalen Energieagentur (https://www.iea-dhc.org/home) und EU-Forschungsprojekten gewonnen werden. Auch nationale Förderprogramme (wie das deutsche Wärmenetzsysteme 4.0) wurden berücksichtigt. Ergänzt wurden diese Daten aus Projekten um eine Literatur- und Internetrecherche. Der Artikel beschränkte sich auf Wärmenetze, welche Wasser als Übertragungsmedium nutzen.
Aus diesen 153 Wärmenetzen werden sechs unterschiedliche Konfigurationen identifiziert, welche im Folgenden vorgestellt werden. Wir werden auch auf die Vor- und Nachteile und die Anwendbarkeit der Netze eingehen.
Klassisches Wärmenetz
Auch in Wärmenetzen mit niedrigen Temperaturen kann der klassische Aufbau von Fernwärmenetzen weiter genutzt werden. Dazu werden ein Vor- und ein Rücklauf implementiert. Normalerweise besitzt jedes Gebäude eine eigene Übergabestation. Typische Temperaturen in dieser Konfiguration sind zwischen 60 °C und 65 °C. Besonders die Vermeidung von Legionellen in der Trinkwarmwasserbereitung begrenzen die weitere Temperaturabsenkung. In den untersuchen Netzen kann die Rücklauftemperatur zwischen 30 °C und 35 °C betragen. Ein großer Vorteil dieser Konfiguration ist, dass alle Planungsschritte und Komponenten weit verbreitet sind und so leicht umgesetzt werden können. Ein großer Nachteil hingegen ist, dass der Kunde mit der höchsten Temperaturanforderung auch die Temperatur im Netz vorgibt. Varianten des klassischen Netzes sind zum einen, dass Sub-Netze gebildet werden können, bei den einzelnen Teilen des Netzes vom Hauptnetz getrennt werden. Eine weitere Variante umfasst eine sogenannte Rücklaufeinbindung. Gebäude mit besonders niedrigen Temperaturanforderungen werden an den Rücklauf des Netzes angeschlossen, so kann eine höhere Auskühlung des Rücklaufes erreicht werden.
Modifiziertes klassisches Wärmenetz
Um die Vorlauftemperatur auf das geringstmögliche Maß zu senken, umfasst die zweite Konfiguration eine entscheidende Änderung gegenüber dem klassischen Netz. Neben den Vor- und Rücklauf wird ein dritter Leiter eingeführt. Über diesen Leiter wird die notwendige Zirkulation im Netz realisiert, welches insbesondere in Teil- und Niedriglast die Rücklauftemperaturen des Netzes absenkt. Außerdem werden in Mehrfamilienhäuser konsequent Übergabestationen in den Wohnungen selbst genutzt. So kann die Zirkulation im Gebäude vermieden werden, Pufferspeicher werden nicht benötigt und es besteht somit auch kein Risiko der Legionellen Bildung. Diese Maßnahme ermöglicht, dass niedrigere Vorlauftemperaturen in den Wohnungen genutzt werden können. Laut dem Artikel können so Vor- und Rücklauftemperaturen um bis zu 10 K gegenüber dem klassischen Wärmenetz abgesenkt werden. Höhere Investitionen in eine dritte Leitung und Gebäudeübergabestationen stellen Nachteile dar.
Konfiguration mit unterschiedlichen Vorlauftemperaturen
Die dritte Konfiguration umfasst mehrere unterschiedliche Leiter mit unterschiedlichen Vorlauftemperaturen. So können verschiedene Temperaturen und Temperaturspreizungen mit einem Netz bedient werden. Dies entspricht einer Kaskadierung der Wärmequellen als auch der Wärmesenken. Die Vorteile sind dabei, dass die Temperatur, insbesondere in kleinen Netzen, auf die Kunden zugeschnitten werden kann, ohne dass Wärmeerzeuger in den Gebäuden benötigt werden. Demgegenüber steht ein erhöhter Regelungsaufwand, um in jedem Temperaturleiter den richtigen Volumenstrom bereitzustellen. Auch diese Konfiguration kann in drei Untervarianten unterteilt werden. Die erste Variante hat einen Leiter für Heizzwecke und einen Leiter zur Bereitstellung von Trinkwarmwasser. Die zweite Variante nutzt einen zweiten Vorlauf nur für niedrigere Temperaturen in Teilen des Netzes.
Kalte Wärmenetze mit dezentralen Wärmepumpen
Die vierte Konfiguration beschreibt kalte Wärmenetze. Diese Netze verteilen die Energie auf dem Niveau der Quelle oder mit einer zentralen Vorheizung auf ein geringes Niveau. Dezentrale Wärmepumpen in den Gebäuden (oder elektrische Heizer) erhöhen die Temperatur auf ein nutzbares Niveau. So kann eine große Bandbreite möglicher Vorlauftemperaturen erschlossen werden, dies bietet das Potential viele unterschiedliche, sonst ungenutzte Wärmequellen einzubinden. Ein weiterer Vorteil ist, dass unterschiedliche Temperaturniveaus in dem Gebäude realisiert werden könne, so können auch alte bestehende Gebäude in das Wärmenetz integriert werden. Besonders wirtschaftlich sind diese Systeme dann, wenn die Quelle Investitionsgünstig erschlossen werden kann. Hohe Investitionen in die Übergabestationen mit Wärmepumpen sind ein Hemmnis dieser Konfiguration.
Kalte Wärmenetze mit kombinierter Wärme- und Kälteerzeugung
Die vorletzte Konfiguration nutzt Synergien zwischen Wärme- und Kältebedarf im gleichen Netz. Dazu werden Wärmepumpen eingesetzt, welche Wärmeenergie im Kondensator und Kälteenergie im Verdampfer gleichzeitig zur Verfügung stellen. Das Wärmenetz besitzt einen kalten und einen warmen Leiter. Dieses Prinzip nutzen bereits jetzt große kommerziell genutzte Gebäude mit gleichzeitigem Wärme- und Kältebedarf. Eine entscheidende Eigenschaft dieser Konfiguration ist, dass jedes Gebäude eine eigene Zirkulationspumpe im Wärmenetz besitzen muss. Wärme- und Kältebedarfe können sich ausgleichen, jedoch muss bei der Dominanz einer der beiden Bedarfe an zentraler Stelle Energie in das Wärmenetz eingebracht (Heizfall) bzw. entzogen werden (Kühlfall). Die Temperaturen in diesen Netzen liegen zwischen 10 °C und 45 °C. Die genutzten Synergien der Wärmepumpen stellen den größten Vorteil dieser Konfiguration dar. Herausforderung betreffen insbesondere die Regelung und der Umstand, dass für einen effizienten Betrieb ein möglichst gleichzeitiger Wärme- und Kältebedarf vorliegen muss. Zwei Varianten dieser Konfiguration sind besonders relevant. Einerseits eine Konfiguration, bei der der kalte Leiter direkt zum Kühlen genutzt werden kann. Dies ist dann der Fall, wenn eine kühle Wärmequelle vorliegt. Die zweite Variante ist das sogenannte Reservoir-Netz, bei dieser Konfiguration wird nur ein Rohr mit einer Temperatur genutzt.
Warme Wärmenetze mit kombinierter Wärme- und Kälteerzeugung
Bei dieser Konfiguration werden separate Wärme- und Kältenetze verbaut. Es liegt somit ein Vierleiter System vor. Die Übergabe in den Gebäuden wird über klassische Übergabestationen realisiert. An zentraler Stelle wird eine Groß-Wärmepumpe gebaut. Der Verdampfer wird an das Kältenetz geschlossen und kühlt den Vorlauf dieses Netzes ab. Der Kondensator dient dem Wärmenetz als Wärmequelle. Ein Vorteil gegenüber kalte Wärmenetzen mit kombinierter Wärme- und Kälteerzeugung ist, dass es auch in existierenden Netzen angewendet werden kann. Ein Nachteil ist, dass die Wärmepumpen den kompletten Temperaturhub zwischen Kälte- und Wärmenetz abdecken müssen und so in schlechteren Arbeitspunkten arbeiten.
Die meisten Wärmenetze mit niedrigen Temperaturen werden nach der klassischen Konfiguration gebaut. Insgesamt 45 % nutzen diese Konfigurationen. Insgesamt 41 % der untersuchten Netze nutzen kalte Wärmenetz mit dezentralen Wärmepumpen oder kombinierter Wärme- und Kälteerzeugung und sind somit ein wichtiger Bestandteil für zukünftige Wärmenetze. Die Konfigurationen 2, 3 und 6 werden nur selten angewendet.
Weiterführende Informationen
Wie immer empfehlen wir den Artikel in voller länger, er ist unter unter https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124091 frei verfügbar. Die nächste Ausgabe unseres Newsletters (2-jähriges Jubiläum) erscheint am 5. Oktober 2022. Bis dahin folgen Sie uns gerne auf LinkedIn wo wir kleinere Anwendungsbeispiele und Informationen mit Ihnen teilen.
