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Kalte Nahwärme: Analyse bestehender Projekte & Empfehlungen
Kalte Nahwärme mit WärmepumpenEinführung, Praxisbeispiele, Vernetzung
Kißlegg, 20. Juni 2017
Hochschule Biberach
Studiengänge Energie-Ingenieurwesen & Energie- und Gebäudesysteme
Institut für Gebäude- und Energiesysteme (IGE)
Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff
B.Eng. Felix Schmid
© Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff & B.Eng. Felix Schmid
Institut für Gebäude- und Energiesysteme (IGE)
Kalte Nahwärme mit Wärmepumpen, 20.6.2017
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Kalte Nahwärme: Analyse bestehender Projekte & Empfehlungen
Hinweise zu Urheberrecht und Copyright
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des Seminars „Kalte Nahwärme mit Wärmepumpen“ am 20.06.2017 in
Kißlegg bestimmt.
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Diesem Vortrag zugrunde liegende Partnerkonstellationen
Masterthesis B.Eng. Felix Schmid
GeoSpeicher.bw
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Kalte Nahwärme: Analyse bestehender Projekte & Empfehlungen
Inhalt
• Motivation Kalter Nahwärme
• Ökologie: Wärmepumpen-Strom als Heizenergieträger
• Ökonomische Analyse
• Geothermische Quellensysteme für Kalte Nahwärme
• Betriebs- und Betreiberkonzepte
• Empfehlungen & Ausblick
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© Max Weishaupt GmbH
Motivation Kalter Nahwärme
Wärmenetze als Bausteine der Energiewende
Einsatz regenerativer Energien in großem Maßstab kostengünstiger Einsatz effizienter Wärmeerzeuger Erzeuger leicht zu erweitern & zu modernisieren lokale ökonomische Partnerschaft & Wertschöpfung Spitzenlastreduktion durch Gleichzeitigkeitsfaktor Zukunftsoption Sektorkopplung Strom-Wärme-Kälte
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Motivation Kalter Nahwärme
Spitzenlastreduktion durch Gleichzeitigkeitsfaktor
Quelle: W. Winter, T. Haslauer und I. Obernberger: Untersuchungen der Gleichzeitigkeit in kleineren und mittleren Nahwärmenetzen, Euroheat & Power, 09 2001 09&10.
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Motivation Kalter Nahwärme
Heizen und Kühlung als Kombinationsaufgabe – Klimaerwärmung global
Entwicklung der globalen (bodennahen) Mitteltemperatur
Datenquelle: http://data.giss.nasa.gov/gistemp/tabledata_v3/GLB.Ts+dSST.txt; Abbildung: R. Koenigsdorff; 2017
13,4
13,6
13,8
14
14,2
14,4
14,6
14,8
15
188
01
885
189
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895
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905
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975
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200
02
005
201
02
015
glo
bal
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r [°
C]
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Motivation Kalter Nahwärme
Heizen und Kühlung als Kombinationsaufgabe – Klimaerwärmung lokal
Jahresmitteltemperaturen Wetterwarte Süd Bad Schussenried (WWS=
y = 0,055x ‐ 101,45R² = 0,5156
0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020
Jahresmitteltemperatur WWS
Jahresmitteltemperatur WWS
Linear (Jahresmitteltemperatur WWS)
10 Periode gleit. Mittelw.(Jahresmitteltemperatur WWS)
5 Periode gleit. Mittelw.(Jahresmitteltemperatur WWS)
Datenquelle: www.wetterwarte-sued.comAbbildung: R. Koenigsdorff, 2017
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Motivation Kalter Nahwärme
Heizen und Kühlung als Kombinationsaufgabe – steigender Kühlbedarf
Simulationsergebnis operative Raumtemperaturen heutiges mittleres Klima
& Quelle: Jan-Michael Schaub, Bachelorarbeit, Hochschule Biberach, 2013; S. 82
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Folie 10
Motivation Kalter Nahwärme
Heizen und Kühlung als Kombinationsaufgabe – steigender Kühlbedarf
Simulationsergebnis operative Raumtemperaturen künftiger Extremsommer
& Quelle: Jan-Michael Schaub, Bachelorarbeit, Hochschule Biberach, 2013; S. 82
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Ökologie
Wärmepumpen-Strom als Heizenergieträger
Spezifische Emissionsfaktoren von Heizsystemen nach GEMIS 4.95 heute
& Quelle: Felix Schmid, Masterthesis, Max Weishaupt GmbH & Hochschule Biberach, 2017
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Folie 12
Ökologie
Wärmepumpen-Strom als Heizenergieträger
Prognose spezifische CO2-Emissionen von Heizsystemen bis 2050
& Quelle: Felix Schmid, Max Masterthesis, Max Weishaupt GmbH & Hochschule Biberach, 2017
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Ökologie
Wärmepumpen-Strom als Heizenergieträger: Primärenergiebedarf
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
Gas-BW + solar
el. KWP (3,0)
el. KWP (4,0)
el. KWP (5,0)
Holz-Pellets
direkte geoth. Kälte (15)
direkte geoth. Kälte (30)
3,0 2,6 2,0
primärenergetische Anlagen-Aufwandszahl eP
Primärenergie-Faktor fP der Stromerzeugung:
Primärenergiefaktor Holz fP = 0,2 (erneuerbar)
Primärenergiefaktor Holz fP = 1,2 (gesamt)
Solarenergie:
fP = 0 (erneuerbar)
fP = 1 (gesamt)
Anteile erneuerbarer Energie:
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
Gas-BW + solar
el. KWP (3,0)
el. KWP (4,0)
el. KWP (5,0)
Holz-Pellets
direkte geoth. Kälte (15)
direkte geoth. Kälte (30)
3,0 2,6 2,0
primärenergetische Anlagen-Aufwandszahl eP
Primärenergie-Faktor fP der Stromerzeugung:
Primärenergiefaktor Holz fP = 0,2 (erneuerbar)
Primärenergiefaktor Holz fP = 1,2 (gesamt)
Solarenergie:
fP = 0 (erneuerbar)
fP = 1 (gesamt)
Anteile erneuerbarer Energie:
!
!
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Ökologie
Wärmepumpen-Strom als Heizenergieträger: Exergie & Anergie
Effiziente Wärmepumpenheizungen und Kühlsysteme
exergetisch optimal & damit auf lange Sicht ökologisch zu bevorzugen
Flamme> 1.000 °C 80 % Exergie
Wärmepumpe< 45 °C20 – 30 % Exergie (Wärmepumpen-Strom)70 – 80 % Anergie (Wärmequelle)
Energie-Input Energie-Output
20 °C7 % Exergie
93 % Anergie
Umgebung0 °C
100 % Anergie
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Folie 15
Ökologie
Wärmepumpen-Strom als Heizenergieträger
Entwicklung des Strombedarfs für eine klimaneutrale Energieversorgung mit
Effizienzmaßnahmen
(inkl. Wärmepumpen)
& Quelle: Volker Quaschning: Sektorkopplung durch die Energiewende,
http://pvspeicher.htw-berlin.de/sektorkopplungsstudie/, 20.06.2016; Bild 14
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Folie 16
Ökonomische Analyse
Kostenvergleich verschiedener Heizsysteme (Preisbasis 1. Betriebsjahr)
Einfamilienhaus Niedrigstenergiegebäude 150 m²
Wärmebedarf 10.000 kWhth/a, Heizlast 6 (- 8) kW
JAZ WP 4 2500 kWhel/a, Strompreis WP 0,21 ct/kWh, Betrachtungszeitraum 20 a
& Quelle: Felix Schmid, Masterthesis, Max Weishaupt GmbH & Hochschule Biberach, 2017
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Folie 17
Ökonomische Analyse
Kostenvergleich verschiedener Heizsysteme (Preisbasis 1. Jahr nach)
Einfamilienhaus Niedrigstenergiegebäude 150 m²
Wärmebedarf 10.000 kWhth/a, Heizlast 6 (- 8) kW
JAZ WP 4 2500 kWhel/a, Strompreis WP 0,21 ct/kWh, Betrachtungszeitraum 20 a
& Quelle: Felix Schmid, Masterthesis, Max Weishaupt GmbH & Hochschule Biberach, 2017
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Folie 18
Ökonomische Analyse
Validierung der Ergebnisse an Beispiel-Netzkonzepten (Konzept 1 … 3)
& Quelle: Felix Schmid, Masterthesis, Max Weishaupt GmbH & Hochschule Biberach, 2017
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Folie 19
Geothermische Quellensysteme für Kalte Nahwärme
Beispiel-Netzkonzept 1: zentrales Erdwärme-Sondenfeld
32 EWS
& Quelle: Felix Schmid, Masterthesis, Max Weishaupt GmbH & Hochschule Biberach, 2017
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Folie 20
Geothermische Quellensysteme für Kalte Nahwärme
Beispiel-Netzkonzept 2: Insellösung mit zwei Erdwärme-Sondenfeldern
16 EWS
14 EWS
& Quelle: Felix Schmid, Masterthesis, Max Weishaupt GmbH & Hochschule Biberach, 2017
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Folie 21
Geothermische Quellensysteme für Kalte Nahwärme
Beispiel-“Netzkonzept“ 3: dezentrale Lösung = Einzelanlagen
& Quelle: Felix Schmid, Masterthesis, Max Weishaupt GmbH & Hochschule Biberach, 2017
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Folie 22
Geothermische Quellensysteme für Kalte Nahwärme
Auslegung von EWS-Einzelanlagen & EWS-Feldern: EED-Simulation
Einzelsonde
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Folie 23
Geothermische Quellensysteme für Kalte Nahwärme
Auslegung von EWS: Einfluss von Kühlung (hier: EDV-Abwärme) __vonBraun(Weishaupt)170619im Sommer)
Einzelsonde(ohne Wärme-eintrag)
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Folie 24
Geothermische Quellensysteme für Kalte Nahwärme
Auslegung Quellensysteme mit Blick auf Jahresdauerlinie des Bedarfs
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Zeit [h/a]
Le
istu
ng
(n
orm
iert
)
Grundlast: z. B. EWS-Feld oder BrunnenOptimierung: Wärmeeintrag (Kühlung, Abwärme)
Mittellast: z. B. Erdwärmekollektoren, AgrothermieOptimierung: Gesamtkosten minimieren
Spitzenlast: z. B. Pufferspeicher, System zur LastreserveOptimierung: Lastreduktion durch Betriebsführung
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Folie 25
Betriebs- und Betreiberkonzepte
Hydraulischer Betrieb: stark variierende Förderhöhen der Verbraucher unterschiedliche Pumpenkonzepte (zentral – dezentral – kombiniert)
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Betriebs- und Betreiberkonzepte
Schnittstellen, Verantwortlichkeiten & Geschäftsmodelle
1. Lieferung kalter thermischer Energie („Anergie“) als Fernwärme
Problematik & Aufwand Wärmezählung bei Kalter Nahwärme
2. Lieferung kalter thermischer Energie („Anergie“) als Dienstleistung‘ Bezahlt wird Betrieb, nicht Energielieferung: Flatrate, Nutzungsdauer…
3. Komplettbetrieb Wärmeversorgung bis inkl. Erzeugernutzwärmeabgabe Betrieb inkl. Überwachung und Optimierung in einer Hand
4. Wärmelieferungs-Contracting „Rundum-sorglos-Paket“ für Kunden
Eigentum & Verantwortung/Risiko komplett in einer Hand
komplett durchgängige Betriebsüberwachung und -optimierung
Contractor kann Anlage im Ausbau bzw. baulich anpassen
Kopplung von Geschäftsmodellen im Wärme- & Strommarkt möglich
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Folie 27
Kalte Nahwärme mit Wärmepumpen
Zusammenfassung
• Stärken & Chancen Kalter Nahwärme Einsatz regenerativer Energien in großem Maßstab
Kostengünstiger Einsatz effizienter Wärmeerzeuger
Spitzenlastreduktion durch Gleichzeitigkeitsfaktor
Erzeuger leicht zu erweitern & zu modernisieren
Wärme- und Kältelieferung in einem
Lokale ökonomische Partnerschaft & Wertschöpfung
Stabilere Energiekosten
• Risiken & Herausforderungen Neues System, vielfach noch Pilotstatus
Große Anfangsinvesition, wirtschaftliche Problematik von Wärmenetzen
U. U. unsichere quantitative & zeitliche Entwicklung der Anschlusskunden
U. U. Risiko des Ausfalls von Abwärme-Wärmelieferanten
Geringe Effizienz bei hohen Verbrauchertemperaturen (z. B. Sanierung)
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Folie 28
Kalte Nahwärme mit Wärmepumpen
Empfehlungen & Ausblick
• Empfehlungen (Erfolgsfaktoren) Frühe Beteiligung der Öffentlichkeit & Nutzer (z. B. Richtlinie VDI 7000)
Motivation und genossenschaftsähnliche Lösungen vor Anschlusszwang
Nicht bei der Planung und Optimierung sparen: Auslegung, Hydraulik …
Betreiberkonzept „aus einem Guss“
Einbindung von Abwärme aus Industrie und Kälteerzeugung (siehe z. B.
Pilotprojekte Wüstenrot & Zürich)
• AusblickWeitere Entwicklung, FuE:
optimierte Sondenfelder
Hydraulik (Pumpen) & Betriebsführung
hybride Pilotprojekte
Fortschrittliche Anergienetze mit größerer Wertschöpfung:
Sektorkopplung Wärme-Kälte-Strom
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Folie 29
Ausblick
Kalte Nahwärme mit Wärmepumpen - Verteilschiene für Sektorkopplung
Kondensator
Verdampfer
Blockheiz-KraftwerkBHKW (KWK)
Nutz-wärme-speicher
geothermischesQuellensystem
Wär
mep
umpe
Nieder-temperatur-speicher
Wärme
StromStrom
Kälte
Grafik nach: R. Koenigsdorff: Oberflächennahe Geothermie für Gebäude. Fraunhofer IRB Verlag, 2011
Kaltes Nahwärmenetz
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Vielen Dank
für Ihre
Aufmerksamkeit!