Liebe Leserinnen und Leser,
für Ausgabe 42 unseres heatbeat Research Newsletters haben wir Veröffentlichungen zu zwei Themen ausgewählt, die für die Zukunftder Fernwärme von hoher Relevanz sind. Immer wenn Solarenergie als Option für die Einspeisung in Fernwärmenetze betrachtet wird muss geprüft werden, ob Solarthermie oder Photovoltaik in Kombination mit einer Wärmepumpe verwendet werden soll. Und da Wärmepumpen eine starke Sektorkopplung mit dem Stromnetz ermöglichen, ist auch die Berücksichtigung des Flexibilitätspotenzials von Wärmepumpen ein wichtiges Thema in vielen Diskussionen über optimale Lösungen für Fernwärmenetze. Und zusätzlich zu diesen beiden Themen haben wir weitere Empfehlungen für Veröffentlichungen zur Fehlererkennung sowie eine Arbeit über einen Transformationsplan für die Wärmeversorgung in München aufgenommen.
In der Arbeit "Solar thermal vs. PV with a heat pump: A comparison of different charging technologies for seasonal storage systems in district heating networks" suchen die Forschenden Sporleder et al. eine optimale Lösung für die Nutzung von Solarenergie in Kombination mit einem saisonalen Speicher. Für den saisonalen Speicher betrachten die Forschenden einen Erdbeckenspeicher (PTES), um die Solarenergie im Sommer zu nutzen und die gespeicherte Wärme im Winter in ein Fernwärmenetz einzuspeisen. Die in der Arbeit vorgestellte Untersuchung ist Teil eines größeren Vorhabens, um optimale Lösungen zur wirtschaftlich umsetzbaren Dekarbonisierung von Fernwärmenetzen zu finden. Für diese Herausforderung stellen die Forschenden ein Open-Source-Tool namens "Heatopia" zur Auslegung dekarbonisierter Fernwärmenetze vor.
Im Rahmen des Papers konzentrieren sich die Forschenden auf die oft abzuwägende Designentscheidung, entweder Solarthermiekollektoren oder eine Kombination aus PV mit einer Luft-Wärmepumpe als Wärmequelle zu wählen. Der vorgestellte Anwendungsfall ist ein bestehendes Fernwärmenetz in Ostdeutschland, bei dem die Solarenergiequelle dazu dient, den saisonalen Speicher zu laden. Für diese Anwendung kommen die Forschenden zu dem Schluss, dass zur Maximierung der Speicherkapazität des PTES eine Integration in Netze mit Temperaturen über 70 °C gut geeignet ist. In Bezug auf den Vergleich von Solarthermie und PV stellt die Arbeit fest, dass beide große Flächen benötigen, auf denen die Anlagen gebaut werden sollen. Somit reagiert die wirtschaftliche Machbarkeit beider Konzepte sehr sensibel auf die Kosten für die benötigten Flächen. Da die Forschenden feststellen, dass der Platzbedarf für solarthermische Anlagen größer ist, empfehlen sie PV mit einer Wärmepumpe für dichter besiedelte Gebiete und solarthermische Anlagen, wenn mehr preiswerter Platz zur Verfügung steht. Für beide Fälle finden die Forschenden jedoch akzeptable Wärmegestehungskosten mit Werten zwischen 14 und 17 ct/kWh für den vorgestellten Anwendungsfall.
Ein wichtiger Aspekt bei der Verwendung von Wärmepumpen als Wärmequelle für Fernwärmenetze ist, dass ihr Strombedarf eine starke Sektorkopplung zum Stromnetz schafft. Da Wärme einfacher zu speichern ist als Strom und Strom einfacher zu transportieren ist als Wärme, eröffnet diese Sektorkopplung Potenziale für ein insgesamt effizienteres Energiesystem. In diesem Zusammenhang stellt die Arbeit "Flexibility potential of heat pumps in Swedish thermal grids: for district heating companies and end users" von Song et al. die Perspektiven von Betreibern und Kunden zu diesem wichtigen Thema vor. Für diese Studie werden größere Wärmepumpen, die in Fernwärmenetze einspeisen, sowie Wärmepumpen in Gebäuden als Hybridlösung in Kombination mit Fernwärme betrachtet. Die Forschenden verwendeten Interviews, um die Perspektive von Fernwärmeunternehmen mit Wärmepumpen in ihrem Netz zu analysieren und Einblicke in die Demand Response von Wärmepumpen sowohl auf dynamische Preise als auch auf dedizierte Flexibilitätsmärkte zu gewinnen. Darüber hinaus führten sie Simulationen durch, um die Perspektive der Endnutzer hinsichtlich des optimalen Betriebs von Hybridheizsystemen mit Wärmepumpen und Fernwärme zu untersuchen.
Aus der Perspektive der Netzwerkbetreiber zeigten die Interviews, dass die größte Herausforderung für die Verwendung von Wärmepumpen in Fernwärmenetzen immer noch die hohen Investitionskosten sind. Wenn jedoch bereits eine Wärmepumpe in einem Fernwärmenetz vorhanden ist, ist die Erfahrung mit ihrer Regelung und den Vorteilen kurzer Start- und Stop-Zeiten positiv und bietet ein großes Potenzial für Flexibilität. Dieses Potenzial würde das Reagieren auf schnelle Schwankungen der Strompreise umfassen, erfordert jedoch Verbesserungen gegenüber der traditionellen Einsatzplanung mit niedriger zeitlicher Auflösung.
Aus der Perspektive der Endnutzer zeigen die Simulationen der Studie, dass Hybridlösungen, bei denen sowohl eine Fernwärmeversorgung als auch eine Wärmepumpe vorhanden sind, Flexibilität bieten, um Heizkosten zu senken. Die Forschenden dokumentieren jedoch auch die Herausforderungen für die Fernwärmebetreiber, wenn eine Fernwärmeversorgung nur für die Spitzenlastversorgung eines Gebäudes verwendet wird. Dies verdeutlicht, dass die Demand Response in Gebäuden einen signifikanten Einfluss auf das Fernwärmenetz und dessen Wärmeerzeugung hat und eine Koordination zwischen zentralen und dezentralen Geräten erforderlich ist, um ein globales Optimum zu erreichen.
Neben den beiden oben genannten Arbeiten möchten wir zwei weitere Arbeiten empfehlen, die kürzlich zum Thema Fehlererkennung veröffentlicht wurden. Zhou et al. veröffentlichten die Arbeit "Multi-fault diagnosis of district heating system based on PCA_BP neural network", in der sie ein neuronales Netz vorstellen, das zur Diagnose mehrerer Fehler in Fernwärmenetzen trainiert wurde. Ebenfalls unter Verwendung eines neuronalen Netzes präsentiert die Arbeit "Data-driven approach for the detection of faults in district heating networks" Methoden zur Erkennung von Anomalien in Wärme- und Druckverlusten basierend auf Zeitreihenmessdaten in Echtzeit.
Darüber hinaus veröffentlichten Kleinertz et al. eine Arbeit mit dem Titel "Analysis of the cost-optimal heat supply strategy for Munich following a clean energy transformation pathway", in der sie eine Transformationsstrategie für die gesamte Stadt München vorstellen.
Die nächste Ausgabe unseres Newsletters wird am 1. Mai 2024 veröffentlicht.
