IEA EBC Annex 64: Optimierte kommunale Energiesysteme basierend auf Exergie-Prinzipien (Arbeitsperiode 2014 - 2018)

Zur Reduktion der CO2-Emissionen in Städten ist ein gesamtheitliches Verständnis der Energieumwandlungsprozesse notwendig. Wenn alternative Wärmequellen wie Abwärme, Umgebungswärme Solar- und Geothermie genutzt werden sollen, ist die Berücksichtigung des im Allgemeinen niedrigen Temperaturniveaus bzw. Exergiegehalts dieser Wärmequellen wesentlich. Entsprechend wurden im Rahmen des EBC Annex 64 städtische Energiesysteme mit Hilfe des Exergieansatzes analysiert und optimiert. Dieses inkludiert die Analyse von Möglichkeiten zur kaskadischen Wärmenutzung, die Identifikation von Potentialen zur Integration von Wärmepumpen sowie der Vergleich nationaler und internationaler Fallbeispiele und Bewertungsmethoden. Wesentliche Ergebnisse des Annex sind „Best-Practice-Beispiele" sowie Richtlinien zur Exergieoptimierten Gestaltung urbaner Energiesysteme, die in einem umfangreichen Guidebook zusammengefasst wurden, unter Berücksichtigung von Exergie-Prinzipien und Österreichischer Expertise.

Ausgangssituation und Motivation

Städte sind verantwortlich für mehr als 2/3 des Endenergieverbrauches. Zur Reduktion der CO2-Emissionen ist es wesentlich, die Energieeffizienz im Verbrauch und den Anteil erneuerbarer Energien zu erhöhen. Zur Hebung der Potentiale im Bereich Heizen und Kühlen ist ein gesamtheitliches Verständnis der Verbraucherstrukturen und Umwandlungsprozessen notwendig. Insbesondere für die Nutzung alternativer Wärmequellen wie Abwärme, Umgebungswärme Solar- und Geothermie ist die Berücksichtigung des im Allgemeinen niedrigen Temperaturniveaus bzw. Exergiegehalts dieser Wärmequellen entscheidend. Bislang basiert die Energieplanung in Städten allerdings im Wesentlichen auf dem Abgleich von Energiebedarf und Erzeugungskapazitäten.

Zielsetzung und Methodik

Ziel des IEA-Programms EBC („Energy in buildings and communities") ist die Integration von energieeffizienten und nachhaltigen Technologien in Gebäuden und Gemeinden durch Forschung und Innovation. Im Rahmen des EBC Annex 64 werden städtische Energiesysteme mit Hilfe des Exergieansatzes hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, CO2 Emissionen sowie Effizienz analysiert. Innerhalb des EBC Annex 64 hat seitens Österreichs das AIT teilgenommen und den Subtask C zum Thema „Model Cities" geleitet, der die vergleichenden Analyse aller Fallbeispiele des Annex inkludiert. Weiters wurden seitens AITs folgende Aktivitäten durchgeführt: Die mathematische Analyse von Möglichkeiten zur kaskadischen Wärmenutzung innerhalb und zwischen charakteristischen Gebäudetypen (Subtask A); Die Ausarbeitung von Potentialen für die Integration von Wärmepumpen in Niedertemperatur-Fernwärmenetze (Subtask B); Den Vergleich von unterschiedlicher Bewertungsmethoden und Optimierungsalgorithmen und die Integration von Exergieindikatoren (Subtask D).

Ergebnisse

Die im IEA EBC Annex 64 durchgeführten Analysen der Fallbeispiele sowie die intensiven Diskussion mit den anderen Annex Teilnehmern und nationalen Stakeholdern zeigen, dass Exergie zur Identifikation von Optimierungspotentialen in thermischen Systemen grundsätzlich hilfreich sein kann. Jedenfalls ist es bei der Auslegung und der Optimierung von Wärmenetzen wichtig, den Wert eines niedrigen Temperaturniveaus zu analysieren. Hierbei ist besonders die Erhöhung des Potentials bzw. die Steigerung der Effizienz der Erzeugungsanlagen (vor allem erneuerbarer Energieträger und Wärmepumpen) aufgrund der geringeren Temperaturniveaus wesentlich, aber auch erhöhte Speicherkapazitäten und niedrige Wärmeverteilverluste sind zu berücksichtigen. Dem gegenüber stehen jedoch Investitionen für die Niedertemperaturfähigkeit auf der Gebäudeseite, die besonders für Vorlauftemperaturen unterhalb der Warmwasser-Temperaturen sehr hoch sein können. Der Einsatz von vorhandenen Hochtemperaturerzeugern kann die Wirtschaftlichkeit der Systeme erhöhen, in dem ggf. notwendige Temperaturerhöhungen („booster") durchgeführt werden. Wichtig ist hierbei hervorzuheben, dass Exergie-optimierte Niedertemperatur-Netze ein wichtiger „Enabler" der Sektorenkopplung sind, da die COPs der Wärmepumpen im Vergleich zu Hochtemperatursystemen wesentlich erhöht werden und elektrische Temperatur-Booster zusätzliche Kopplungspunkte darstellen.

Die Ergebnisse des IEA EBC Annex 64 sind in Gestaltungsrichtlinien für urbane Energiesysteme unter Berücksichtigung von Exergie-Prinzipien und Österreichischer Expertise zusammengefasst und werden in einem Guidebook veröffentlicht.

Das Video entstand im Rahmen der Veranstaltung "Highlights der Energieforschung 2016: Die Rolle der Wärmepumpe im zukünftigen Energiesystem" am 22. Juni 2016.

Das Video entstand im Rahmen der Veranstaltung "IEA-Vernetzungstreffen 2015" am 25. Oktober 2015.

Weitere Kurzvorträge des IEA-Vernetzungstreffen 2015 finden Sie im NachhaltigWirtschaften YouTube Channel.