Simulation Netzhydraulik
Erneuerbare Wärme optimal in Fernwärmenetze einspeisen

In diesem Projekt haben Forscher herausgefunden, wie sich eine zunehmende Anzahl dezentraler Wärmeerzeuger auf die Netzhydraulik und die thermische Wechselbeanspruchung bestehender Fernwärmenetze auswirkt und in welcher Größe Wärmespeicher für einen optimierten Betrieb nachzurüsten sind. Auf der Grundlage statistischer und modellbasierter Methoden wurden frei zugängliche Softwaremodule entwickelt. Damit können volatile Wärmequellen in der Netzplanung und im Netzbetrieb besser berücksichtigt werden.

Im Zuge der Energiewende haben sich die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für die Fernwärme geändert. Nach Expertenprognosen kommt ihr insbesondere im urbanen Raum eine wichtige Aufgabe zur Sicherstellung der Wärmeversorgung zu. Vermehrt entstehen Ideen, dezentrale Wärmequellen in Fernwärmenetze einzubinden. Doch derzeit existieren für die Planung und Bewertung volatiler, dezentral erzeugter Anteile in der Fernwärme - z. B. aus Solarthermie, Wärme Strom-orientierten aus BHKW und Power-to-heat-Anlagen - lediglich erste Planungswerkzeuge.

Mit dem Vorläuferprojekt „Dezentrale Einspeisung in Nah- und Fernwärmesysteme unter besonderer Berücksichtigung der Solarthermie“ (DEZENTRAL) wurden Grundlagen erarbeitet, die nun vertieft mit Fragestellungen der Praxis verknüpft werden. Dabei geht es vor allem um die Auswirkungen der Integration von Solarthermie und anderen volatilen Wärmeerzeugern auf die Betriebsführung und die Komponenten bestehender Fernwärmesysteme. Entsprechende Vorhersage-Methoden sind bislang noch nicht ausgereift.

Mit zeit- und ortsaufgelösten Simulationen beispielhafter Fernwärmenetze untersuchten die Forscher die Ist-Situation und Varianten eines stufenweise zunehmenden erneuerbaren Anteils im Netz. Dies geschah in Zusammenarbeit mit Fernwärmeunternehmen, Wissenschaftlern und kommerziellen Softwareanbietern.

Fiktives Fernwärmenetz mit bestehender zentraler KWK-Erzeugerstruktur und unterschiedlichen Standorten für dezentrale Wärmeerzeuger. © AGFW | Fiktives Fernwärmenetz mit bestehender zentraler KWK-Erzeugerstruktur und unterschiedlichen Standorten für dezentrale Wärmeerzeuger.

Projektziel: Auswirkungen volatiler Erzeuger vorhersagen

Das wesentliche Ziel des Projekts DELFIN ist die Erarbeitung von Werkzeugen, die die Veränderung der thermohydraulischen Verhältnisse in Fernwärmenetzen durch Einbindung volatiler dezentraler Wärmeerzeuger in geeigneten Simulationsumgebungen vorausberechnen und Hinweise hierzu geben können. Dabei sollen sowohl die Wirkungen auf den existierenden Erzeugerpark und die Komponenten – z. B. Umwälzpumpen, Druckhaltung, Rohrleitungen - als auch die Effekte verschiedener Speicherstandorte realitätsnah widergespiegelt werden.

Vereinfachte Darstellung Bilanzraum Fernwärmenetz und untersuchte Technikvariationen © TU Dresden, GEWV | Vereinfachte Darstellung Bilanzraum Fernwärmenetz und untersuchte Technikvariationen

Reale Fernwärmenetze im Simulationscheck

Um das Forschungsziel zu erreichen, wurden in einem ersten Schritt volatile Erzeuger modelliert und simuliert. Die so entstandenen Modelle und Profile charakterisieren die zeitliche Veränderlichkeit von für die Praxis wichtigen Größen. Dazu zählen beispielsweise Massenstrom und Temperatur der ins Fernwärmenetz eingespeisten Wärme. Anschließend wurden diese neuen Erzeugermodelle und -profile in verschiedene Simulationsmodelle für Fernwärmenetze eingebunden. Dadurch sollen die heutigen und künftigen Auswirkungen von zunehmend dezentraler Wärmebereitstellung bewertet werden.

Anhand realer Fernwärmenetze im Bestand wurde abschließend die Wirkung der zunehmenden Dezentralisierung der Wärmeerzeugung für verschiedene Klimabedingungen untersucht. Über gezielte Simulationsstudien konnten die Wirkungen auf Ressourcenverbrauch, Treibhausgasemissionen und technischen Randbedingungen identifiziert und sinnvolle Speicherintegrationen ermittelt werden. Die Untersuchung umfasste somit auch eine Bewertung des Einflusses dezentraler Wärmeerzeuger auf die Systemeffizienz und lieferte zusätzliche Hinweise zum Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der untersuchten Wärmenetze.

Praxistransfer

Die zum Einsatz gekommenen Simulationstools und Modelle sind für die Ist-Situation weitestgehend in der Praxis erprobt bzw. mit Praxisdaten getestet worden. Ein unabhängiger Projektkreis aus der Praxis stellte sicher, dass bei der Erweiterung um die dezentrale Wärmeeinbindung praktische Aspekte Eingang in die Projektbearbeitung finden. Die Ergebnisse des Forschungsprojekts können nun von Wärmenetzbetreibern auf ihre Situation übertragen und angewendet werden. Ausgewählte Softwarebausteine können auf www.agfw.de/delfin/ kostenfrei angefragt werden.