20.05.2021 | Aktualisiert am: 12.07.2021

Für eine erfolgreiche Wärmewende müssen Fernwärme-Systeme vermehrt mit erneuerbaren Energien betrieben werden. Allerdings sorgt die Wärmeenergie aus Sonne oder Erdreich im Netz für schwankende Temperatur- und Druckverhältnisse. Dr. Anna Marie Kallert vom Fraunhofer-Institut IEE erklärt, wie sie und ihr Team Lösungen hierfür entwickeln.

 

INTERVIEW

energiewendebauen.de: Frau Kallert, Fernwärme aus erneuerbaren Energien gilt als eine Schlüsseltechnologie für eine erfolgreiche Wärmewende. Trotzdem ist sie noch nicht in ausreichendem Maße vorhanden. Wo hakt es aktuell bei der Weiterentwicklung der Wärmeversorgung in Städten?

Für die Wandelung und die Transformation der urbanen leitungsgebundenen Wärmeversorgung existieren vielversprechende technologische Ansätze. Dennoch gibt es diverse Hemmnisse, die die Wahrscheinlichkeit einer breiten Umsetzung limitieren, wie beispielsweise die Kundenakzeptanz. Häufig kennen Kunden die technologischen Ansätze nur unzureichend. Gleiches gilt für die Preisgestaltung im Kontext der Fernwärme. Hier fehlen transparente Informationen bezüglich wirtschaftlicher und finanzieller Vorteile gegenüber „Standardlösungen“. Doch gerade für Versorgungsunternehmen, Netzbetreiber, Kommunen sind wirtschaftliche und finanzielle Gründe wesentliche Anreize für die Wandlung der urbanen leitungsgebundenen Wärmeversorgung. Diese Anreize sind unter den aktuell vorherrschenden Rahmenbedingungen in Deutschland aus Sicht der genannten Akteure nur unzureichend gegeben, wenngleich sie existieren. Es fehlt ihnen auch an Transparenz bei verfügbaren Fördermitteln. Eine gezielte Beratung von Versorgern und Kommunen würde helfen.

ewb.de: Wie kann das Projekt UrbanTurn zur Modernisierung der Wärmeversorgung beitragen?

Kallert: Für eine Wandelung der urbanen leitungsgebundenen Wärmeversorgung ist es wichtig, alle Punkte gemeinsam anzugehen und diese integral zu betrachten. Im Projekt UrbanTurn werden vor allem technikbasierte Lösungen adressiert. Zunächst sammeln wir Umsetzungsprojekte, die technische Lösungen für vorhandene Probleme bieten, und werten sie aus. Diese innovativen Lösungen werden wir in unserem zukünftigen Testzentrum DistrictLAB umfassend erproben. Hierzu zählt zum Beispiel die dezentrale Einspeisung volatiler Energie. Wir schauen auch auf Untersuchungsszenarien, die keinem Standard entsprechen, aber besonders zukunftsweisend sein könnten. Dies sind neue Regelstrategien und letztlich die Betriebsoptimierung mit digitalen Methoden.

Das Versuchs- und Testzentrum District LAB am Fraunhofer IEE in Kassel bietet Experimentier- und Testmöglichkeiten für Netzbetreiber und Energieversorger sowie Systemplaner und Komponenten-Hersteller zukunftsfähiger innovativer Wärmenetze. Die Hauptkomponenten des District LAB sind ein flexibles Testnetz mit angeschlossenen Versuchs- und Prüfständen für Wärmeerzeuger für den Quartiersmaßstab sowie eine Teststrecke für Rohrleitungstests. Durch mehrere sogenannte „Hardware-In-the-Loop-Einheiten“ (HIL-Einheiten), sowie durch ein digitales Leit-und Regelungssystem können die Betriebszustände zu jedem Zeitpunkt exakt eingestellt und gemessen werden. Bei einer Durchführung von Versuchen mit sogenannten „Hardware in the Loop-Einheiten“ (HiL) werden die zu testenden Einheiten (z.B. Steuerung) oder Komponenten (z.B Pumpe) in einem Versuchs- oder Teststand mittels Simulation eingebunden. Dies erlaubt die Auswertung von Messungen oder Versuchsergebnissen unter nahezu realen Bedingungen. (Weitere Informationen zum District LAB: https://www.iee.fraunhofer.de/de/testzentren-und-labore/District_LAB.html)

Wir wollen mit unseren Aktivitäten die technische Machbarkeit für die Übertragung in die Praxis prüfen und sicherstellen. In einem nächsten Schritt kann man neue Auslegungskriterien ableiten und die entsprechende Normung novellieren. Gleichzeitig werden die ökonomischen und rechtlichen sowie politischen Problemstellungen selbstverständlich nicht unbeachtet bleiben.

ewb.de: Sie sagten, der Schwerpunkt Ihres Projektes liegt auf der Entwicklung technischer Lösungen. Wie sieht das konkret aus? Erzählen Sie mehr zu Verbrauchern, Erzeugern, Wärmequellen!

Kallert: Im DistrictLAB werden wir unterschiedliche Kombinationen und Szenarien durchspielen können. Das heißt, wir bilden in unserem Versuchsstand beliebige Verbraucher, Erzeuger oder aber auch eine Kombination aus beiden - sogenannte Prosumer - ab. Als zentrale Erzeugungseinheiten werden ein Kessel und eine Wärmepumpe sowie ergänzend Wärme- und Kältespeicher eingesetzt. Wir können aber auch regenerative Quellen wie Solarthermie oder Abwärme simulieren. Das flexible Wärmenetz, die zentralen Erzeugungseinheiten inklusive der Speicher sowie die Hausübergabestationen sind miteinander verbunden. Wir können Gebäudeklassen mit unterschiedlichem Effizienzstandard simulieren oder auch dezentrale oder zentrale Wärmequellen. Im Ergebnis wird es möglich sein, beliebige Verbrauchs- oder Erzeugungsprofile zu erstellen.

  1. Konventionelles Wärmenetz: Zentrale Versorgung durch Kessel auf einem Tempe-raturniveau von rund 100°C. Alle HiL-Einheiten bilden Verbraucher ab. Bei einer Durchführung von Versuchen mit sogenannten „Hardware in the Loop-Einheiten“ (HiL) werden die zu testenden Einheiten (z.B. Steuerung) oder Komponenten (z.B Pumpe) in einem Versuchs- oder Teststand mittels Simulation eingebunden. Dies erlaubt die Auswertung von Messungen oder Versuchsergebnissen unter nahezu realen Bedingungen.
  2. Solare Einspeisung oder Abwärme in konventionelles Wärmenetz: Zentrale Versorgung durch Kessel auf einem Temperaturniveau von rund 100°C. Eine HIL-Einheit bildet beispielsweise den solaren Erzeuger ab. Die verbleibenden HIL-Einheiten bilden Verbraucher ab.
  3. Zentrales Low-Ex Wärmenetz: Zentrale Versorgung durch Wärmepumpe auf einem Temperaturniveau im Bereich von 45 - 70°C. Alle HIL-Einheiten bilden Verbraucher ab.
  4. Solare Einspeisung in Low-Ex Wärmenetz: Zentrale Versorgung durch Wärmepumpe auf einem Temperaturniveau im Bereich von 45 - 70°C. Eine HIL-Einheit bildet solaren Erzeuger ab. Die verbleibenden HIL-Einheiten bilden Verbraucher ab.
  5. Zentrales „kaltes“ Wärmenetz: Zentrale Versorgung durch Wärmepumpe auf einem Temperaturniveau im Bereich von 5 - 20°C. Alle HIL-Einheiten bilden Verbraucher ab und führen eine Anhebung des Temperaturniveaus auf 40 – 65°C mit einer Wärmepumpe durch.
  6. Dezentrale Einspeisung in „kaltes“ Wärmenetz: Zentrale Versorgung durch Wärmepumpe auf einem Temperaturniveau im Bereich von 5 - 20°C. Eine HIL-Einheit bildet Erzeuger ab (z.B. Abwärme). Alle anderen HIL-Einheiten bilden Verbraucher ab und führen eine Anhebung des Temperaturniveaus auf 40 – 65°C mit einer Wärmepumpe durch.
  7. Autarkie im Netz: Keine zentrale Versorgung. Die Netztemperatur befindet sich auf einem Temperaturniveau im Bereich von 5 – 20°C. Alle HIL-Einheiten fungieren als Prosumer. Sie entnehmen dem Netz Wärme über Wärmepumpen und können zeitlich versetzt aber auch Wärme einspeisen. 

Es geht aber nicht nur darum, auf bestimmte erneuerbare Wärmeerzeuger zu fokussieren. Vielmehr liegt unser Schwerpunkt auf sogenannten Transformationsmaßnahmen, die sich auf das Gesamtsystem auswirken. Dazu zählen zum Beispiel die Absenkung der Temperatur, dezentrale oder bidirektionale Einspeisung.

ewb.de: Sie erwähnten schon die zunehmende Bedeutung der Digitalisierung. Wie wirkt sich diese auf Fernwärmesysteme aus?

Kallert: Die Digitalisierung ist ein Schlüsselelement für den Betrieb, die Regelung und die Umsetzung innovativer Niedertemperatur-Wärmenetze sowie bereits transformierter oder zu transformierender Wärmenetze. Digitale Technologien können das gesamte Energiesystem intelligenter, effizienter und zuverlässiger machen sowie den Netz- und Anlagenbetrieb optimieren. Somit kann vermehrt fluktuierende erneuerbare Energie in das System eingespeist werden. Vom Erzeuger über die Speicher bis hin zur Übergabe der Wärme an den Verbraucher: Instrumente der Digitalisierung können prinzipiell für alle Prozessschritte der Fernwärmeversorgung eingesetzt werden. Sie ermöglichen etwa eine Kommunikation einzelner Prozessschritte untereinander. So kann ein Informationsaustausch zwischen Erzeuger und Verbraucher oder Verbraucher und Speicher stattfinden.

ewb.de: Was heißt dies konkret?


Kallert: Mithilfe der Digitalisierung kann Energie aus erneuerbaren und fluktuierenden Wärmequellen passgenauer in Wärmenetze integriert werden. Lastprognosen sind hier nur ein Beispiel: Wenn wir vorhersagen können, wann Verbraucher einen hohen Wärmebedarf haben, können wir daraus vorausschauende Regelalgorithmen ableiten und das Lastmanagement anpassen. Hilfreich sind hier etwa Echtzeit-Datenerfassungen in intelligenten Hausstationen. Auch Wetterprognosen tragen dazu bei, den Betrieb der Anlagen zu optimieren. Weiteres Einsatzgebiet der Digitalisierung ist die vorausschauende Wartung eines Fernwärmesystems. Damit kann man Störungsfälle frühzeitig erkennen und Wärmenetze nachhaltiger und zuverlässiger machen. Auch in unserem aktuellen Projekt spielen digitale Elemente eine wichtige Rolle. Die Versuche, die wir im DistrictLAB durchführen, dienen der Identifikation möglicher kritischer Betriebsgrößen, wie etwa Druck- und Temperaturschwankungen oder Änderungen im Volumenstrom. Darauf aufbauend werden dann neuartige Regelungs- und Betriebsführungsstrategien für die Integration volatiler, dezentraler Wärmequellen entwickelt. Die Arbeiten binden die entwickelten Regelungskonzepte in ein übergeordnetes digitales Leitsystem ein und ermöglichen die Erprobung des Gesamtsystems anhand der Versuchseinrichtung.

ewb.de: Was sind die nächsten Schritte?

Kallert: Wichtige Herausforderungen beim Thema Digitalisierung sind sicherlich der Datenschutz und die Anforderungen an neue Geschäfts- und Betreibermodelle. Ganz allgemein möchten wir uns zukünftig neben technischen Lösungen noch intensiver ökonomischen und rechtlichen Problemstellungen widmen.

Das Interview führte Birgit Schneider, Wissenschaftsjournalistin beim Projektträger Jülich.

Porträt

Dr.-Ing. Anna Marie Kallert leitet die Abteilung Thermische Energiesystemtechnik am Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE in Kassel. Den Schwerpunkt ihrer Arbeiten bilden die energetische, ökologische und wirtschaftliche Bewertung thermischer Energieversorgungslösungen. Darüber hinaus befasst sie sich mit der Planung, Simulation, Entwicklung sowie der praktischen Umsetzung von leitungsgebundenen Versorgungskonzepten für Quartiere und Städte. (Bild: privat)

Kontakt

Koordination

Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE
www.iee.fraunhofer.de

0561 7294-444
Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.
©aryfahmed – stock.adobe.com

Klimaneutrale Wärme

Über die Hälfte der Energie in Deutschland nutzen wir, um unsere Häuser, Büros und Geschäfte zu heizen und um Wärme für Gewerbe und Industrie bereitzustellen. Der Übergang hin zu erneuerbarer Wärme, unvermeidbarer Abwärme und CO2-freien Brennstoffen muss organisiert werden.

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