Liebe Leserinnen und Leser,
für die 41. Ausgabe unseres heatbeat Research Newsletters haben wir uns wieder zwei aktuelle Forschungsergebnisse aus dem Bereich der Fernwärme und -kälte ausgesucht. Beide Artikel zeigen unserer Meinung nach wichtige Trends und Aspekte, die wir für die Auslegung und den Betrieb von Fernwärmenetzen in Zukunft stärker adressieren müssen. Der erste Artikel behandelt die Grundlastfähigkeit von Abwärmequellen in Fernwärmenetzen. Der zweite Artikel adressiert das Thema vorausschauende Regelung und welche Algorithmen hierfür eingesetzt werden können.
Erneuerbare Energien haben die Herausforderungen, dass sie oft nur zeitlich fluktuierend verfügbar sind. In Dänemark zum Beispiel gibt es mehrere Wärmenetze, welche Solarthermie als Wärmequelle nutzen, welche jedoch sowohl täglich (Tag/Nacht) als auch das gesamte Jahr über schwankende Leistungen aufweist. Grundlastfähige Wärmequellen, dazu zählen zum Beispiel Abwärme und Geothermie, werden in der zukünftigen Wärmeversorgung deshalb eine entscheidende Rolle spielen. Wir haben bereits in mehreren Newslettern darüber berichtet. In dem hier vorgestellten Artikel von D. Moreno et al. "Exploring the location and use of base load district heating supply. What can current heat sources tell us about future opportunities?" wird bewertet, wie diese Wärmequellen in Zukunft in Fernwärmenetzen genutzt werden können. Die vorgestellte Methodik wird am Beispiel Dänemarks angewendet.
Es wurden insgesamt 360 Fernwärmenetze in Dänemark in der Analyse berücksichtigt. Für jedes dieser Fernwärmenetze wird eine dreistufige Methodik angewendet. Zuerst werden die bestehenden Fernwärmenetze mittels einer GIS-Analyse aufgenommen und anhand von Flächenwärmedichten mögliche Erweiterungsgebiete des Fernwärmenetzes ermittelt. Im zweite Schritt folgt die Potenzialanalyse, welche für die Grundlast insbesondere industrielle Abwärme und Geothermie berücksichtigt. Es werden nur Quellen berücksichtigt, welche sich innerhalb von 2 km innerhalb des Fernwärmenetzgebietes befinden. Für die Bewertung der industriellen Abwärme werden öffentliche Daten und bereits bestehende Methodiken genutzt und erweitert. Damit stellt das Paper für 46 Wirtschaftszweige das Abwärmepotenzial dar. Als Letztes wird mit Jahresdauerlinien die Grundlastfähigkeit der ermittelten Potenziale für die Wärmenetze und deren Erweiterungen überprüft.
Die Ergebnisse zeigen, dass in Zukunft (Wärmeschutz + Erweiterung Wärmenetze) mit einem Wärmebedarf von etwa 30 TWh/a in Wärmenetzen in Dänemark gerechnet werden kann. Etwa 20 % davon können grundlastfähige industrielle Abwärmequellen abdecken. Hierbei wurden nur Abwärmequellen über 60 °C berücksichtigt, so dass in Kombination mit Wärmepumpen ein noch höheren Potenzial vorhanden ist. Etwa die Hälfte der untersuchten Fernwärmesysteme hat nutzbare Geothermiequellen in unmittelbarer Umgebung des Wärmenetzes.
Aktuell werden Fernwärmenetze häufig mit voreingestellten Regeln oder manuell geregelt. Sowohl voreingestellte Regeln als auch die manuelle Regelung beruhen häufig auf viel Erfahrung und können einen sicheren Netzbetrieb gewährleisten. Jedoch gewinnen Energieeffizienz durch Temperaturabsenkung oder Sektorenkopplung zum Strommarkt (Einsatz von Wärmepumpen) immer mehr an Bedeutung für die Regelung von Wärmenetzen. Die Komplexität nimmt mit der Anzahl unterschiedlicher Erzeuger im Netz ebenfalls zu und dennoch müssen Leistung, Temperatur und Druckhaltung so geregelt werden, dass zu jeder Zeit ein sicherer Betrieb möglich ist. Hier kann die prädiktive Optimierung des Betriebes eine wertvolle Ergänzung sein. In dem Artikel "Mixed-integer non-linear model predictive control of district heating networks" von J. Jansen et al. werden zwei Modellprädiktive Regelungen (MPC) miteinander verglichen und in Simulationsstudie angewendet.
Die Arbeit von J. Jansen et al. vergleicht lineare mit nicht-linearen Optimierungsansätze. Durch die großen Speichermassen des Rohrsystems, dem Gebäudeenergiebedarf und zentralen oder dezentralen Speichern ist ein Fernwärmenetzsystem grundsätzlich einer großen Anzahl von dynamischen Vorgängen ausgesetzt und somit nicht-linear. Es kommen dabei MPC Regler zum Einsatz, diese nutzen die Vorhersage von gewissen Eingangsdaten in der Zukunft (z. B. Wärmebedarf der Gebäude, erneuerbare Energien) und ermitteln mit diesen Parametern die optimalen Einstellungen der Regelung. Die beiden in der Arbeit entwickelten ANsätze werden auf ein kleines Wärmenetz mit insgesamt 12 Gebäuden angewendet. Das Wärmenetz wird durch eine Wärmepumpe (Quelle Geothermie) sowie einem kleinen Anteil Solarthermie versorgt. Jedes Gebäude besitzt einen 950 Liter großen Pufferspeicher für Trinkwarmwasser, welcher die notwendige Temperatur mit einer Booster-Wärmepumpe bereitstellt.
Die Ergebnisse zeigen, dass beide Ansätze (linear und nicht-linear) zu ähnlichen Ergebnissen in Bezug auf die Regelgüte führen. Ein großer Vorteil des linearen Ansatzes ist eine 7 - 9 mal schnellere Lösung gegenüber der nicht-linearen Optimierung. Es werden dennoch die Vorteile des nicht-linearen Ansatzes hervorgehoben, welcher sich besser verallgemeinern lässt und weniger Anpassung der gewählten Parameter benötigt als der lineare Ansatz (durch das bessere Abbilden der realen Physik). Wir finden beide Ansätze sehr interessant und glaube daran, dass MPC eine entscheidende Rolle in zukünftigen Regelungen von Wärmenetzen spielen wird.
Neben den beiden oben genannten Arbeiten können wir diesen Monat den Artikel "District heating load patterns and short-term forecasting for buildings and city level" von P. Hua et al. empfehlen, hier werden Methoden zur Bedarfsvorhersage in Gebäuden eines Fernwärmenetzes vorgestellt, welche insbesondere für die Anwendung von MPC-Reglern die Vorhersage von Wärmebedarf für einzelne.
Die nächste Ausgabe unseres Newsletters wird am 3. April 2024 veröffentlicht
