Thermische Speicher in Fernwärmenetzen

nachdem der letzte Newsletter eine Querauswertung einer großen Anzahl von Veröffentlichungen rund um Wärme- und Kältenetze umfasste, möchten wir diesmal wieder ein Thema ausführlicher beleuchten. Dazu stellen wir einen Artikel vor, der sich mit unterschiedlichen Möglichkeiten zur Einbindung von thermischen Speichern in Wärmenetzen befasst. Der Artikel untersucht sowohl zentrale als auch dezentrale Speicher und vergleicht beide Optionen mit Bezug auf die gesamten Investitionen für das Wärmenetz. Anhand einer Case-Study in Belgien, werden unterschiedliche Kombinationen und deren Sensitivitäten untersucht.

Kurzfassung für Eilige

Diesmal stellen wir den Artikel Influence of centralized and distributed thermal energy storage on district heating network design von Joseph Maria Jebamalai et. al. vom Department of Architecture and Urban Planning der Universität in Ghent (Belgien) vor.

Der Artikel befasst sich mit unterschiedlichen Speicheroptionen in einem Wärmenetz und den Einfluss auf die gesamten Investitionen des Netzes (Einspeisung, Netz, Wärmeübergabe sowie Investition für die Speicher). Die Autoren nutzen für die Gegenüberstellung ein Simulationstool und wählen für ihre Case-Study ca. 2400 Gebäude der belgischen Stadt Kortrijk aus. In einer Szenarioanalyse variieren sie unter anderem die Speicherposition (zentrale Speicher, verteilte Speicher im Netz und Speicher in Gebäuden), die Speichergröße (Tages-, Mehrtages- und Saisonalspeicher) als auch die Kosten zur Erschließung der Wärmequelle.

Die Ergebnisse zeigen, dass Speicher an allen drei möglichen Positionen die Investitionen in ein Wärmenetz reduzieren. Reduktionen der Investitionen werden sowohl durch Einsparungen in der Spitzenlast als auch durch die Rohrdimensionierung im Fall dezentraler Speicher erreicht. Die Einsparungen durch den Einbau von Speichern in Gebäuden ist am größten, hierbei ist die optimale (kumulierte) Speichergröße im Bereich von 1-Tagesspeichern. Für verteilte Speicher zeigt die Studie, dass viele, kleinere Speicher im Netz Vorteile gegenüber einem größeren Speichern haben. Auch hier zeigen sich 1-Tagesspeicher als besonders vorteilhaft. Zentrale Speicher nahe der Einspeisung werden in der Studie größer ausgelegt, um geringere Investitionen zu erreichen. Jedoch zeigen sie insgesamt die geringsten Einsparpotentiale, da die Netzdimensionierung in diesem Fall kein Einsparpotential aufweist.

Ausführliche Zusammenfassung

Der Artikel Influence of centralized and distributed thermal energy storage on district heating network design von Joseph Maria Jebamalai et. al. vom Department of Architecture and Urban Planning der Universität in Ghent (Belgien) untersucht unterschiedliche Optionen für Speicher in Wärmenetzen. Das Ziel zur Einbindung der Speicher ist es einerseits Spitzenlasten zu vermeiden, andererseits die maximal zu transportierenden Leistungen durch dezentrale Speicher zu entlasten und so die Rohrdimensionierung zu optimieren. Die Autoren stellen die Bedeutung von Speichern vor dem Hintergrund der Einbindung von erneuerbaren Energien mit schwankenden Einspeisungen heraus.

Der Artikel präsentiert eine Case-Study eines fiktiven Wärmenetzes in Kortrijk (Belgien). Aus den insgesamt 35000 Gebäuden in Kortrijk wurden mit Hilfe eines Grenzwertes der Liniendichte von mehr als 1 MWh/Jahr/m ca. 2400 Gebäude ausgewählt. Die Gebäude werden mit Hilfe eines fiktiven Wärmenetzes verbunden. Anhand des gemessenen Gasbedarfs für Straßenzüge und GIS-Daten (Geoinformationssystem) wurden die Gebäude in Wohn-, Dienstleistungs- und industrielle Gebäude eingeteilt und tägliche Lastprofile hinterlegt. Individuelle Bedarfscharakteristiken von Gebäuden werden in dieser Studie nicht berücksichtigt. Die Wärmequelle wurde ca. 2km entfernt des Wärmenetzes angenommen. In dieser Case-Study steht die Einspeisung konstant während des gesamten Jahres zur Verfügung. Das bedeutet, dass im Sommer ein Wärmeüberschuss aus der Erzeugung vorhanden ist, der theoretisch in Speichern genutzt werden kann.

Mit Hilfe der definierten Case-Study werden unterschiedliche Szenarien untersucht, dabei werden insgesamt 8 Parameter des Netzes variiert (wir betrachten hier nur eine Auswahl):

• Speicherposition: zentrale Speicher nahe der Einspeisung, verteilte Speicher im thermischen Netz sowie dezentrale Speicher in den Gebäuden
• Speichergröße: Tages-, Mehrtages- und Saisonalspeicher
• spezifische Investition der Wärmeerzeugung

Die unterschiedlichen Szenarien werden mit Hilfe der gesamten Investitionen für das thermische Netz bewertet. Zu diesen Investitionen zählen die Wärmequelle, das Netz, die Wärmeübergabe sowie der Speicher. Dabei werden auch Installationskosten hinzugerechnet, Betriebskosten (z. B. Brennstoff- oder Wartungskosten) werden nicht berücksichtigt. Die maximale Speicherkapazität des zentralen Speichers entspricht einem großen Saisonalspeicher, welcher die Spitzenleistung der Wärmequelle von 34 MW auf ca. 11 MW reduzieren kann. Auf Basis der Investitionen werden lediglich Speicher mit einer deutlich geringeren Kapazität vorgeschlagen. Die minimalen Investitionen liegen bei einer Speicherkapazität von ca. 2 Tagen vor. Die Einsparungen werden durch eine geringere Spitzenlast der Einspeisung (ca. 24 MW anstatt 34 MW) realisiert.

Neben einem zentralen Speicher werden in der Case-Study auch 7, 10 bzw. 18 verteilte Speicher im Netz betrachtet. Grundsätzlich ist ein ähnlicher Trend für die verteilten Speicher erkennbar. Zusätzlich zu der Reduktion der Spitzenlast, können nun auch kleinere Rohre dimensioniert werden, so dass die absoluten Einsparungen der Investition größer ausfallen. Dadurch wird die minimale Investition bereits ab einer kumulierten Speicherkapazität von 1000 m³ (entspricht ungefährt der Wärmemenge für einen Tag) erreicht. Es zeigt sich, dass die optimale Anzahl von verteilten Speichern für das Netz in Kortrijk zwischen 7 und 10 liegt.

Die größten Einsparungen in Bezug auf die Investitionen können mit Speichern in Gebäuden erreicht werden. Vergleichbar zu den verteilten Speichern zeigt sich auch für diese Speicher eine kumulierte Speichergröße der Wärmemenge für 1 Tag als günstigste Option. Durch die unterschiedliche Varianz der angenommenen Lastprofile der drei Gebäudetypen, erweisen sich Wohngebäude als deutlich geeigneter für die Installation von Speichern. Das Verhältnis der Abnahme zwischen Tag und Nacht wurde für diese Gebäude größer angenommen als bei den anderen Gebäudetypen, so dass größere Mengen Energie in gleich großen Speichern während der Nacht gespeichert werden können und so die notwendige Spitzenlast in den Morgenstunden reduzieren. Natürlich hängt dies von individuellen Bedarfsprofilen ab, so eignen sich zum Beispiel reine Bürogebäude gut für die Integration von Speichern.

Die Investition in die Wärmequelle ist neben den Investitionen in das Netz ein wesentlicher Treiber der gesamten Investitionen. Mit dem Einsatz von Speichern können Spitzenleistungen reduziert und damit Erzeugerkapazitäten eingespart werden. Dies wird durch die Studie von Jebamalai et. al. bestätigt. Die minimalen Investitionen des thermischen Netzes verschieben sich zu größeren Speichern, wenn hohe Kosten für die Wärmequelle angenommen werden.

Jebamalai et. al. zeigen, dass mit Speichern die Investitionen in thermische Netze gesenkt werden können. In unseren Projekten bei heatbeat berücksichtigen wir sowohl zentrale als auch dezentrale Speicher im dynamischen Betrieb und können in unseren Projekten nicht nur Einsparungen bei den Investitionen, sondern auch für die Betriebskosten beobachten. Der Artikel zeigt wie wichtig die Berücksichtigung von Speichern in der Planung und dem Betrieb von Fernwärmenetzen ist. Dies wird unserer Auffassung mit höherem Anteil von erneuerbaren Energien in neuen und bestehenden Netzen noch wichtiger. Die optimale Speichergröße ist dabei von vielen Faktoren abhängig. Außerdem können Speicher nur schwer statisch berechnet werden, vielmehr müssen dynamische Werte und Regelungsstrategien bereits in der frühen Phase berücksichtigt werden. Unsere dynamischen Simulationswerkzeuge können dies leisten und berücksichtigen dabei die Interaktion zwischen Speicher, Erzeugung, Verteilung und Gebäude.

Weitere Informationen

Der Artikel von Jebamalai et. al. ist unter https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.117689 verfügbar und umfasst neben den hier vorgestellten Einflüssen auch noch die Untersuchung der Temperaturspreizung, das Verhältnis zwischen täglichem Schwach- und Spitzenlastfall sowie die variablen jährlichen Bedarfen.

Die nächste Ausgabe unseres Newsletters wird am 2. Juni 2021 erscheinen.