Eine größere Flexibilisierung von KWK-Anlagen lässt sich durch die Integration thermischer Speicher in Fernwärmenetze erreichen, weil dadurch eine zeitliche Entkopplung der Lieferung von Strom und Wärme ermöglicht wird und somit die Stromerzeugung von KWK-Anlagen besser an den Strombedarf bzw. die Residuallast angepasst werden kann. Mit Hilfe von E-Heizern und Wärmepumpen (Power-to-Heat-Anlagen) lässt sich der Strom- und Wärmesektor koppeln, womit Strom aus erneuerbaren Energien für die Fernwärmebereitstellung genutzt werden kann.

In diesem Forschungsprojekt wurde untersucht, unter welchen Randbedingungen die Investition in den Bau eines Wärmespeichers und einer Power-to-Heat-Anlage wirtschaftlich ist und welche Verbesserungen sich aus umweltpolitischer Sicht ergeben. Damit kann die Studie Betreiber bei der Investitionsentscheidung unterstützen sowie eine Basis für die zukünftige Diskussion der politischen Rahmenbedingungen darstellen. Das Projekt wurde an der TU Berlin in Zusammenarbeit mit der Hochschule Hannover, der Universität Leipzig sowie mit Beratung durch Industriepartner durchgeführt.

Die Entwicklung des Energiesektors im letzten Jahrzehnt ist maßgeblich durch die Liberalisierung der Märkte und durch einen stetigen Anstieg des Anteils von erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung geprägt. Neben den erneuerbaren Energien ist die Kraft-Wärme-Kopplung ein ideales Instrument, um die Klimaschutzziele zu erreichen. Infolge der sinkenden Residuallast nehmen die Betriebsstunden konventioneller Kraftwerke ab. Die Residuallast bezeichnet die in einem Elektrizitätsnetz nachgefragte Leistung abzüglich eines Anteils fluktuierender Einspeisung z.B. von erneuerbaren Energien. Eine wärmegeführte Fahrweise von KWK-Anlagen senkt diese Residuallast weiter ab und führt zusätzlich dazu, dass Heizkraftwerke in Zeiten niedriger Börsenpreise Strom erzeugen und nur geringe Stromerlöse erhalten.

Forschungsfokus

Ziel des Forschungsvorhabens war es, für unterschiedliche technische und ökonomische Rahmenbedingungen die Vorteile von thermischen Speichern und Power-to-Heat-Anlagen als Erweiterungsmaßnahmen in Fernwärmesystemen zu ermitteln. Hierfür wurde ein mathematisches Modell entwickelt, das das Verhalten verschiedener KWK-Anlagen, von Heißwassererzeugern und elektrischer Wärmebereitstellung durch Heizstäbe oder Wärmepumpen in Zusammenhang mit Wärmespeichern abbildet. Für die verschiedensten Eingangsdaten wurde die Betriebsweise der einzelnen Anlagen innerhalb des Systems unter wirtschaftlichen Aspekten optimiert. Aus der Auswertung der Ergebnisse für unterschiedliche Systemkonfigurationen (mit und ohne einzelne Erweiterungstechnologien) können die marktgetriebenen Einflüsse der einzelnen Erweiterungstechnologien und deren Kombination auf das Energiesystem ermittelt werden. Des Weiteren wurden die Ergebnisse auf das Energiesystem Deutschland projiziert, um den Beitrag verschiedener Ausbaustufen von Wärmespeichern in deutschen Fernwärmenetzen zu folgenden Punkten zu ermitteln:

  • Funktionale Stromspeicherung und Erhöhung der Stromerzeugung aus KWK-Anlagen
  • Erhöhung des KWK-Deckungsgrades sowie Reduktion des Primärenergieeinsatzes und der CO2-Emissionen der Fernwärmeerzeugung.

Abschließend wurde untersucht, welchen Nutzen Wärmespeicher und Power-to-Heat-Anlagen zur Erbringung von Sekundärregelleistung und Minutenreserve haben und somit welchen Beitrag sie zur Systemstabilität leisten können.

Energiekonzept

Bei der Flexibilisierung eines Fernwärme-Versorgungssystems mit Wärmespeicherung und elektrischer Wärmebereitstellung ist entscheidend, wie der Anlageneinsatz ökonomisch optimiert werden kann. Hierbei gilt es, zeitschrittübergreifende Freiheitsgrade unter Berücksichtigung ökonomischer Randbedingungen sowie der Wärmelast optimal zu nutzen. Typische Freiheitsgrade sind u. a. Zeitpunkt und Zeitrahmen des Anlagenbetriebs, in welchem Lastpunkt die Anlage betrieben und wann und mit welcher Leistung der Wärmespeicher be- oder entladen wird.

Aufgrund des Umfangs des Optimierungsmodells und der gewünschten Abbildungsgenauigkeit ist der gewählte Ansatz eine gemischt-ganzzahlige Optimierung: Zu Beginn wurden repräsentative Fernwärme- und KWK-Systeme analysiert und eine typische Zusammenstellung von Erzeugern und Eigenschaften des Netzes festgelegt. Anschließend wurden die Wärmenachfrage und die Fahrweise der Vorlauftemperatur definiert. Als Grundlage für die Optimierung wurden zudem die ökonomischen Randbedingungen, das dynamische Verhalten von Wärmespeichern sowie stationäre und dynamische Anlagencharakteristika von KWK-Anlagen benötigt.

Umsetzung

Die Analyse und dynamische Modellierung verschiedener Wärmespeicher wurde von der HS Hannover durchgeführt und generiert die Eingangsdaten in das übergeordnete Optimierungsmodell. Die Universität Leipzig erstellte auf Grundlage eines Fundamentalmodells des europäischen Kraftwerkparks verschiedene Szenarien, um die zukünftigen Stromnachfrage und -preise (Großhandelsstundenkontrakte und Regelleistungspreise) zu prognostizieren.

Die Industriepartner unterstützten das Projekt durch ihr technisches Wissen bei der Auswahl der Annahmen und Eingangsdaten. Zudem wurden Charakteristika verschiedener realer KWK-Anlagen zur Verfügung gestellt.

Optimierung

Neben den Eigenschaften bestehender Anlagen der Industriepartner wurden an der TU Berlin thermodynamische Kraftwerkssimulationen durchgeführt, um die notwendigen Eingangsdaten für weitere typische KWK-Anlagen zu gewinnen. Mit den so definierten Eingangsdaten wurden Optimierungsrechnungen durchgeführt und folgende Kriterien genauer betrachtet:

  • Wirtschaftlichkeit von Wärmespeichern, E-Heizern und Wärmepumpen
  • Flexibilisierung des bestehenden Heizkraftwerkparks
  • Bereitstellung von Regelenergie
  • Erhöhung der gesamten Energieeffizienz und
  • Primärenergieeinsparung und Reduktion von CO2-Emissionen.

Die Optimierung liefert eine stunden- und blockscharfe Fahrweise aller beteiligten Anlagen und Wärmespeicher, sodass die betrachteten Kriterien im Vergleich zum Referenzfall genau beurteilt werden können.

Zuletzt aktualisiert am:
12.07.2021

EnEff:Wärme- Wärmespeicher und Power-to-Heat in der Fernwärmeerzeugung

För­der­kenn­zei­chen: 03ET1188A

Projektlaufzeit
01.07.2013 31.12.2016 Heute ab­ge­schlos­sen

The­men

Wärme, Netze

För­der­sum­me: 746.622,00 €

Kontakt

Koordination
TU Berlin, Institut für Energietechnik, Fachgebiet Energietechnik und Umweltschutz
http://www.energietechnik.tu-berlin.de

+49(0)30-314-21737
©struvictory - stock.adobe.com

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