Bedeutung von thermischer Energie (TES) in Fernwärmesystemen nach wie vor unbekannt.
Mit der zusätzlichen Flexibilität von Technologien zur Speicherung thermischer Energie können Niedertemperatur-Fernwärmesysteme den Wärme- und den Stromsektor auf kostengünstige Weise koordinieren. Solche Kombinationen sind daher ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem 100 % erneuerbaren Energiesystem.
Obwohl die Bedeutung von thermischen
Energie-Systemen (TES) bekannt ist und sich dadurch drastische Veränderungen im
Vergleich zu den derzeitigen Systemen ergeben, ist die praktische Anwendbarkeit
von thermischen Energie-Systemen in Fernwärmesystemen nach wie vor unbekannt.
Darüber hinaus könnten die vorgeschlagenen Vorteile von thermischen Energie-Systemen von den Erwartungen abweichen, wenn man die Entwicklung zukünftiger Eigenschaften, wie niedrige Temperaturniveaus und geringer Raumheizungsbedarf, berücksichtigt.
Es gibt vier typische thermische Energie-System-Technologien, einschließlich der Verwendung eines zentralen Wassertanks, der Trägheit des Fernwärmenetzes, eines Warmwasserspeichers und der thermischen Masse des Gebäudes.
Dazu gibt es eine neue Studie: „Anwendbarkeit von thermischen Energiespeichern in zukünftigen Niedertemperatur-Fernwärmesystemen“ – eine Fallstudie mit Multiszenario-Analyse.
Kernaussagen:
- Die Anwendbarkeit von vier
typischen TES-Technologien in einem zukünftigen LTDH-System.
- Der zentrale Wasserspeicher ist
am günstigsten für die Integration der variablen erneuerbaren Energie.
- Der Einsatz von thermischer
Gebäudemasse hat im zukünftigen Niedrigenergiegebäudebestand weniger Vorteile.
- Die Verringerung des
Wärmebedarfs erfordert entsprechende nachfrageseitige Maßnahmen zur Reduzierung
der Bypass-Verluste.
- Die Nutzung der Netzträgheit
ist im zukünftigen LTDH-System nicht realisierbar.
Mehr über die Inhalte der Studie.
Die technisch-wirtschaftliche
Analyse wird für eine Reihe von Szenarien durchgeführt, die auf zukünftigen
Änderungen im Betrieb der Wärmequellen für die Endverbraucher basieren.
Außerdem wird ein integriertes Modell entwickelt, um die Betriebsdynamik des
Fernwärmesystems im Hinblick auf die Optimierung des Einsatzes der
TES-Einheiten zu simulieren. Diese Studie liefert eine Leistungskarte der
TES-Technologien in Übereinstimmung mit den Übergängen von den derzeitigen zu
den künftigen Fernwärmesystemen und zeigt die Beziehungen zwischen den
Systemeigenschaften und den optimalen TES-Anwendungen auf.
Es wurde festgestellt, dass der CWT aufgrund seiner Fähigkeit, Wärme über lange Zeiträume zu speichern, für die Integration der variablen erneuerbaren Energie am besten geeignet ist. Auf der Endverbraucherseite gibt es angesichts der verbesserten Gebäudeleistung und des geringeren Raumwärmebedarfs in der Zukunft weniger Potenzial für die Nutzung der Gebäudeträgheit.
Im Gegensatz dazu wird der Nutzen der Brauchwassererwärmung, der hauptsächlich aus der Verringerung der Bypass-Verluste während der Nicht-Raumheizungsperiode resultiert, in Zukunft zunehmen. Darüber hinaus erweist sich die Anhebung der Netztemperaturen für die aktive Speicherung in allen zukünftigen LTDH-Szenarien als nicht durchführbar, da diese Maßnahme die Effizienz der Wärmequelle erheblich beeinflusst.
100% erneuerbares Energiesystem.
Das Ziel eines 100%igen
erneuerbaren Energiesystems bringt drastische Herausforderungen für die gesamte
Gesellschaft mit sich. Mit dem zunehmenden Anteil an intermittierenden variablen
erneuerbaren Energielieferanten (VRE) müssen die gesamten Energiesysteme
einschließlich der Transportnetze und Verbraucher neu konzipiert und geplant
werden, um die VRE-Quellen effizient zu nutzen.
Gleichzeitig müssen die sichere Energieversorgung und akzeptable wirtschaftliche Aufwendungen aufrechterhalten werden. Lösungen, die dieses Gleichgewicht herstellen, werden untersucht und als verschiedene Wege zu einem zukünftigen nachhaltigen Energiesystem zusammengefasst. Es wird anerkannt, dass die integrierte Gestaltung der Energieumwandlung und des Managements zwischen den Teilsektoren der Energiewirtschaft immer wichtiger für realisierbare und bezahlbare Strategien wird.
Gegenwärtig entfallen 50 % des
Endenergieverbrauchs in Europa auf den Wärmesektor, und dies wird
voraussichtlich auch in Zukunft so bleiben. Unter den Lösungen zur
Dekarbonisierung des Wärmesektors und zur Erhöhung der Integration erneuerbarer
Energien wird in mehreren Studien das Konzept der zukünftigen
Niedertemperatur-Fernwärme (LTDH) diskutiert.
Eine niedrige Temperatur des
zirkulierenden Wassers in Kombination mit einem geringen Wärmebedarf in
Gebäuden kann wichtige Vorteile bieten, darunter eine bessere Nutzung von
Niedertemperatur-Abwärme und die Integration erneuerbarer Energiequellen sowie
geringere Verluste in den Transportnetzen. Darüber hinaus kann der Wärmesektor
des LTDH-Systems mit dem Strom- und Verkehrssektor koordiniert werden. Zusammen
können sie ein intelligentes Energiesystem bilden und einen optimalen Übergang zu
einem zukünftigen System mit 100 % erneuerbaren Energien ermöglichen.
Um derartige Synergien zwischen den Sektoren zu erreichen, werden Technologien zur thermischen Energiespeicherung (TES) eingehend untersucht, da sie eine flexible Anpassung von Energieangebot und -nachfrage auf verschiedenen Zeitskalen ermöglichen. In Kombination mit KWK-Anlagen und Power-to-Heat-Technologien wie Wärmepumpen können TES-Technologien die Integration von erneuerbaren Energien erhöhen und die Betriebskosten in bestehenden Systemen und zukünftigen intelligenten Energiesystemen senken.
Gemeinsam ist diesen Studien ein Top-Down-Ansatz, bei dem Analysen für ein gesamtes Energiesystem eines Landes, z. B. Dänemark, oder einer Region wie Europa durchgeführt werden, ohne die untergeordneten Systeme im Detail zu betrachten. Daher werden nur die kumulativen Speicherkapazitäten und Kosten der TES-Technologien berücksichtigt. Im Vergleich zu Pfaden, die nur elektrische Speichertechnologien berücksichtigen, kann der Pfad für ein intelligentes Energiesystem mit TES-Technologien mit deutlich geringeren Investitionen erreicht werden.
Trotz der Bedeutung von TES und zukünftigen Fernwärme- und Fernkältesystemen, die in früheren Top-down-Studien festgestellt wurde, wurde der Anpassung und Anwendung verschiedener TES-Technologien in Fernwärme- und Fernkältesystemen relativ wenig Aufmerksamkeit geschenkt.
In einer kürzlich erschienenen Übersicht über die Anwendungen von TES-Technologien in Fernwärme- und Fernkältesystemen beziehen sich die meisten Beispiele auf TES-Anwendungen in den derzeitigen Mittel- und Hochtemperatur-Fernwärmesystemen.
Es lohnt sich jedoch, auf einige wichtige Änderungen in den zukünftigen LTDH-Systemen hinzuweisen. Aufgrund der niedrigeren Systemtemperaturen wird die Effizienz der Wärmequelle empfindlicher auf Temperaturschwankungen reagieren. Außerdem müssen die Netze und Umspannwerke neu konzipiert werden, um die Rücklaufwassertemperatur zu halten und Bypass-Wärmeverluste zu vermeiden.
In der Zwischenzeit werden der Raumwärmebedarf und die Heizperioden aufgrund der besseren Energieeffizienz der zukünftigen Gebäude reduziert werden. In Anbetracht der oben erwähnten Veränderungen im Fernwärmesystem, d.h. bei den Wärmequellen, den Netzen und den Endnutzern, bleibt die Frage, ob die geplanten TES-Technologien in den künftigen Fernwärmesystemen wie vorgesehen funktionieren werden, nach wie vor ungelöst.
Aus dem Blickwinkel der Details von TES-Anwendungen auf der unteren Ebene in Langzeitwärmesystemen wird der Einsatz von sensiblen aktiven Speichereinheiten weniger rentabel, wenn die Speichertemperaturdifferenz kleiner wird. Da die Systemeffizienz empfindlicher auf das Temperaturniveau reagiert, könnten die derzeitigen Speichertechnologien, die Einfluss auf die Betriebstemperaturen des Netzes haben, wie z. B. die Nutzung der Trägheit des Fernwärmenetzes (DHNI) und des Warmwasserspeichers (DHWT), in Zukunft an Attraktivität verlieren. In der Tat muss die Anwendbarkeit der derzeitigen TES-Technologien sorgfältig geprüft werden.
Während sowohl saisonale als auch Kurzzeitspeicher im Fokus stehen, ist letztere eine gängige Wahl, um tageszeitliche Schwankungen zu bewältigen, die durch den intermittierenden Charakter von VRE verursacht werden. Diese Schwankungen haben einen starken Einfluss auf die Grenzbetriebskosten und die Leistung der DH-Systeme.
Daher wurden die Kurzzeitspeicher als Studienobjekte ausgewählt. Eine Reihe früherer Studien befasst sich mit der Anwendung von Kurzzeitspeichern, wobei der Schwerpunkt auf der allgemeinen Technologieentwicklung, den Speicherpotenzialen von BTM und DHNI und den Verbindungen mit dem Stromnetz liegt. Wie bei den oben erwähnten Top-Down-Studien beschränken sich die meisten Anwendungsstudien jedoch auf herkömmliche Mittel- und Hochtemperatur-Warmwassersysteme.
Die Anwendbarkeit von Kurzzeit-TES-Einheiten in den zukünftigen LTDH-Systemen bleibt unbekannt, was den Schwerpunkt dieser Studie bildet. Detaillierte Erläuterungen zu den Vorteilen und Herausforderungen für Kurzzeit-TES-Technologien in der Zukunft werden auf der Grundlage der Literaturauswertung der aktuellen Studien gegeben.
Was die Planung von TES und Energiesystemen auf höchster Ebene betrifft, so berücksichtigen die meisten Studien immer noch die derzeit verfügbaren TES-Technologien, ohne deren technische Details und Anwendbarkeit in der Zukunft zu berücksichtigen. Normal wird das Potenzial von DHNI auf der Grundlage einer festen Temperaturerhöhung von 10 K im Netz bewertet, was aus den oben genannten Gründen nicht angemessen ist.
Eine ähnliche Methode wird auch angewandt, um das DHNI in chinesischen DH-Systemen zu bewerten. Einschränkungen gibt es auch bei der Bewertung des Speicherpotenzials der thermischen Gebäudemasse (BTM), da die praktische Speicherkapazität mit dem sinkenden Wärmebedarf in einem LTDH-System abnimmt.
Ohne das Wissen über die Betriebsbedingungen von TES-Technologien in der Zukunft besteht die Gefahr, dass die Potenziale der TES über- oder unterschätzt werden, was sich wiederum auf die Energiebilanz und die Gesamtplanung der intelligenten Energiesysteme auswirkt. Die vorgeschlagenen Wege zur Erreichung des Ziels von 100 % erneuerbarer Energie könnten von der Realität abweichen. Um voreingenommene Schlussfolgerungen für die zukünftigen Energiesysteme zu vermeiden, müssen die Technologieentwicklung und die Planung von TES daher in hohem Maße mit den Veränderungen in den zukünftigen LTDH-Systemen übereinstimmen.
In Anbetracht der oben dargestellten Wissenslücke zielt diese Studie darauf ab, zu bewerten, wie die derzeitigen TES-Technologien an die Veränderungen in den zukünftigen NSE-Systemen angepasst werden können. Es wurden technisch-wirtschaftliche Analysen und Vergleiche von vier typischen kurzfristigen TES-Technologien für eine Reihe von Szenarien durchgeführt, die für die Hauptmerkmale der heutigen und zukünftigen Wasserkraftanlagen repräsentativ sind.
In den Szenarien werden die Veränderungen der Warmwassersysteme auf der Quellenseite, in den Umspannwerken und in den Endnutzungsgebäuden berücksichtigt. Die Bottom-up-Analyse basiert auf einem integrierten dynamischen Modell für das Trinkwassersystem, das in dieser Studie entwickelt wurde und mit dem die Auslegung und der Betrieb von TES-Einheiten optimiert werden können. Das Modell verfügt auch über genügend technische Details, um die Eigenschaften und Herausforderungen von TES-Technologien in LTDH-Systemen darzustellen.
Aus den Ergebnissen dieser Studie lassen sich die optimale Auslegung und der optimale Betrieb von TES-Anlagen in Abhängigkeit von bestimmten zukünftigen Systemmerkmalen ableiten. Die Studie liefert ein klareres Verständnis für die mögliche Rolle von TES-Technologien beim Übergang zu zukünftigen intelligenten und erneuerbaren Energiesystemen.
Beschränkungen der Studie.
Die Ergebnisse dieser Studie
basieren auf einem kleinen LTDH-System in einer Wohngemeinde mit 165
Einfamilienhäusern. Dieser Fall repräsentiert die typische kleine Gemeinde in
einem Vorort oder ländlichen Gebiet in Nordeuropa mit einem unidirektionalen
zentralen Wärmeversorgungssystem.
Es gibt jedoch ein wachsendes Interesse an dezentralen Heizungssystemen mit mehreren Quellen, die sowohl unidirektionale als auch bidirektionale Systeme umfassen. Da der Raumwärmebedarf in Zukunft sinken wird, wird das herkömmliche zentrale Fernwärmesystem sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus technischer Sicht immer weniger machbar sein. Diese Herausforderungen erfordern flexible Maßnahmen zum Ausgleich des Energieangebots auf der Nachfrageseite.
Daher wird der Schwerpunkt der zukünftigen Forschung auf der optimalen Auslegung und dem Betrieb dezentraler Heizsysteme liegen. Außerdem sind die Kosten für das Anfahren und das Hochfahren der Wärmequellen ein wichtiger Bestandteil der Gesamtbetriebskosten von Wärmeversorgungssystemen mit mehreren Quellen und damit einer der Hauptanreize für die Installation von TES-Einheiten.
Unter Berücksichtigung der oben genannten Aspekte sollen die Anwendungen von TES-Technologien weiter untersucht werden. Da das Temperaturniveau des gesamten Systems gesenkt wird, gibt es außerdem weniger Potenzial für sensible TES-Einheiten, während andere Arten von Speichertechnologien, wie latente TES, die Phasenwechselmaterialien verwenden, mehr Potenzial haben könnten. Zusammen mit den Ergebnissen dieser Studie kann ein besseres Verständnis für die Rolle der TES-Technologien in der Zukunft gewonnen werden.
Wie bereits erwähnt, konzentrieren sich die in dieser Studie verwendeten Analyseindikatoren auf die TES-Einheit selbst, wie z. B. die Entladezyklen und die Kosteneinsparungsrate. TES-Einheiten haben jedoch auch einen wichtigen Einfluss auf die Größe des Netzes und der Wärmequelle, wie in angegeben. Die Vorteile der reduzierten Investitionen in die Leitungen und Wärmequellen werden in dieser Studie nicht berücksichtigt.
Schlussfolgerung.
Mit dem Ziel, die Anwendbarkeit
von TES-Technologien in zukünftigen Fernwärmesystemen zu bewerten, wurde ein
Fernwärmesystem simuliert und mit verschiedenen repräsentativen Szenarien
zukünftiger Veränderungen verglichen, einschließlich der Veränderungen auf der
Seite der Wärmequelle, des Netzes und der Endverbrauchernachfrage. Für jedes
Szenario wurden in dieser Studie die Betriebsleistungen und Kosteneinsparungen
von vier typischen kurzfristigen TES-Technologien verglichen. In Anbetracht des
wachsenden Bedarfs beim Übergang von den derzeitigen Energiesystemen zu den
künftigen nachhaltigen und intelligenten Energiesystemen werden die
Schlussfolgerungen zur Anpassung der spezifischen TES-Technologien an die
künftigen Systeme wie folgt zusammengefasst:
1) Die Ergebnisse zeigen, dass die vier TES-Technologien das Wärmeangebot und die Wärmenachfrage bis zu einem gewissen Grad ausgleichen können. Neben den Vorteilen der Lastverschiebung kann der Einsatz von dezentralen Warmwasserspeichern (DHWTs) auch die Bypass-Verluste in den Umspannwerken reduzieren und hat damit die größten Kosteneinsparungen im aktuellen Spitzenlastszenario. Es wurde bewiesen, dass das Dreifach-Rohrsystem im Umspannwerk dieses Problem ebenfalls lösen kann, was eine Wahl zwischen den beiden Umspannwerkskonzepten impliziert.
2) Aufgrund des relativ geringen Wärmeverlusts und der Regelungsflexibilität kann der zentrale Wassertank (CWT) Wärme über einen längeren Zeitraum speichern als die anderen TES-Technologien und ist daher für die künftige Integration von EE-Anlagen geeignet. Da der Energiepreis im Sommer, wenn die EE im Überfluss vorhanden ist, grundsätzlich niedrig ist, sind die bisherigen Vorteile des Warmwasserspeichers zur Verringerung der Bypass-Verluste dagegen weniger bedeutend.
3) Da der Raumwärmebedarf in der Zukunft sinkt, gibt es weniger Speicherpotenzial durch den Einsatz von thermischer Gebäudemasse (BTM). Da die Raumheizungsperiode verkürzt wird, wird die BTM in den zukünftigen Niedrigenergiehäusern nur noch für weniger als 100 Tage genutzt. Der Bypass-Verlust wird jedoch in der Nicht-Raumheizungszeit noch deutlicher, was Maßnahmen auf der Nachfrageseite erforderlich macht.
4) Die Nutzung der Trägheit des Fernwärmenetzes (DHNI) als Speichereinheit erweist sich in allen Szenarien auf der Grundlage der LTDH-Systeme als nicht durchführbar. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Effizienz der Wärmequelle durch die Erhöhung der Vorlaufwassertemperatur erheblich reduziert wird. Da außerdem die Speicherkapazität der Netze in kleinen Systemen weniger als 1 % der täglichen Wärmelast beträgt, können die vorgeschlagenen Vorteile nicht einmal die erhöhten Netzwärmeverluste ausgleichen.
Abschließend wird auf der Grundlage der Ergebnisse aller analysierten Szenarien darauf hingewiesen, dass die Auslegung und Anwendung von TES-Technologien in Übereinstimmung mit den Merkmalen der künftigen NWG-Systeme erfolgen sollte, um eine Unter- oder Überschätzung der Rolle der TES-Technologien zu vermeiden.