TFlex - Temperaturflexibilisierung im Schwachlast­bereich des Betriebs von Nahwärmenetzen

Ausgangssituation/Motivation

Ziel des Vorhabens ist die Verringerung von Netzverlusten von Nahwärmenetzen im Schwachlastbetrieb. Während vor 10 Jahren Systeme mit Betriebsverlusten im Bereich von 30 % durchaus nicht ungewöhnlich waren, konnte bei heute neu errichteten Nahwärmenetzen, ein entsprechendes Qualitätscontrolling vorausgesetzt, durchwegs eine Reduktion der Verluste auf rund 15% erreicht werden.

Die Verluste werden durch folgende Einflussgrößen definiert:

• Temperaturen von Vorlauf und Rücklauf (thermische Verluste)

• Durchmesser der Rohre (thermische Verluste, Pumpverluste)

• Dämmung der Rohre (thermische Verluste)

• Länge des Leitungsnetzes (thermische Verluste, Pumpverluste)

Diese Einflussgrößen wurden weitestgehend optimiert. Eine weitere Verbesserung ohne grundsätzliche Änderung des Netzkonzeptes ist wirtschaftlich nur mehr sehr beschränkt möglich.

Inhalte und Zielsetzungen

In der Sondierungsstudie soll eine neuartige Systemerweiterung untersucht werden, welche es ermöglicht, ohne teure Änderungen am Wärmenetz die Netzverluste weiter signifikant zu reduzieren. Die Projektidee sieht den Einsatz von dezentralen, bei den KundInnen installierten Wärmespeichern vor. In den besonders verlustbehafteten Schwachlastzeiten soll das Netz abgeschaltet und der Wärmebedarf der Verbraucher aus, zuvor bei verlustarmer Netzvolllast geladenen, dezentralen Speichern bedient werden. Diese Maßnahme wirkt sich naturgemäß bei Netzen mit einem hohen Anteil an Schwachlastbetrieb, wie sie im Bereich der Nah-Wärmeversorgung im Agglomerationsbereich von Städten die Regel sind, besonders aus.

Methodische Vorgehensweise

Methodisch ist das Projekt in drei Projektteile gegliedert:

Der erste Teil beschäftigt sich mit der Sammlung von Daten und der energetischen Modellierung der Heiznetze. Dabei werden zunächst die Daten der zu betrachtenden Netze erhoben und aufbereitet und der Bearbeitung den anderen Projektteilen zugeführt. Anschließend wird das energetische Modell erstellt und Optimierungsrechnungen hinsichtlich Speichergrößen und Regelstrategien angestellt. Ein zusätzliches Arbeitspaket betrachtet die Integration von dezentral installierter Solarthermie zur weiteren Entlastung der Netze.

Der zweite Teil verläuft größtenteils parallel zum ersten und beantwortet netztechnische Fragestellungen. Die Ergebnisse der beiden ersten Projektteile werden abschließend hinsichtlich ihrer wirtschaftlichen Aspekte analysiert und einer Sensitivitäts- und Risikoanalyse unterworfen.

Erwartete Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Durch den temperaturflexibilisierten Betrieb, der Installation von dezentralen Speichern und Abschaltung des Netzes, können bei den betrachteten Nahwärmenetzen die Netzverluste um bis zu 34 % reduziert werden. Die Einsparungen, bilanziert am Einspeisepunkt des Netzes, betragen dann je nach Speicherpositionen zwischen 3 % und 6 %.

Es stellte sich heraus, dass die Speichergröße weniger mit der Nenn-Anschlussleistung korreliert als mit den Jahresenergiemengen. Dabei kann mit einem Netz-Ausschaltzeitraum von etwa 3 bis 4 Tagen die größte Energieeinsparung erzielt werden. Bei der Optimierung der Speichergröße ist das wichtigste Kriterium die Anpassung an einen ähnlichen Entladeverlauf aller Speicher im System. Damit können unnötige Speichervolumen – und somit Wärmeverluste – vermieden werden.
Ein weiteres Vergrößern der Speicher, was auf den ersten Blick vorteilhaft erscheint und so die Anzahl der Hochfahrvorgänge reduziert, erfordert aber wieder längere Ladezeiten und ist mit der Problematik des Auskühlens unter die „Untere Grenze" verbunden. Daher ist ein wichtiges Kriterium nicht nur die Dauer des Netz-Stillstandes, sondern auch die Netz-Betriebszeit. Es sollte der Quotient aus diesen beiden Parametern möglichst groß werden, um die Netzverluste zu minimieren. Dies kann mit verstärkter Speicher-Dämmung erreicht werden, aber auch mit einer erhöhten Ladeleistung der Speicher, was aber dann die Kapazitäten der meisten Netze und Wärmeerzeuger überschreiten würde. Es stellte sich auch heraus, dass die Stärke der Speicher-Dämmung einen großen Einfluss hat.

Die Regelungsstrategie für das Ein- und Ausschalten des Netzes ist direkt an die Speicher mit den definierten „Unteren Grenzen" und „Oberen Grenze" gebunden, welche als „Plug Flow Model" in der Simulation konzipiert wurde.
Durch Clusterung mehrerer Verbraucher und Zuordnung zu einem Speicher können die spezifischen Speicherverluste reduziert werden, Teile des Netzes bleiben dann aber in Betrieb. Daher können durch Clusterungen die Netzverluste nicht so stark reduziert werden, weil dann die Netzabschnitte zwischen den Speichern und den Verbrauchern immer in Betrieb bleiben. Jedoch kann dies aufgrund der geringeren Investitionskosten einen wirtschaftlichen Vorteil bringen.

Bei Einbindung der solaren Erträge können je nach Netzkonfiguration bis zu 50 % an Energie, bezogen auf die Einspeisung des Heizwerkes in das Netz, eingespart werden. Für die Schwachlastzeit im Sommer kann dies bedeuten, dass für geclusterte Speicheranordnungen das Heizwerk überhaupt ausgeschaltet und die Energie ausschließlich über die Solaranlagen bereitgestellt werden kann. Dabei kann in guten Konstellationen ein Drittel der geeigneten Solarflächen auf den Gebäuden ausreichend sein.

Der TFlex Betrieb ist hinsichtlich der Rohrstatik grundsätzlich sowohl für vollkompensierte Rohrleitungen, Kunststoffrohrleitungen als auch direkt erdverlegte Rohrleitungen möglich. Zur Vermeidung von Problemen in Folge von Wärmespannungen muss allerdings die jeweilige Einbausituation der Rohrleitungen im Detail mitberücksichtigt werden.

Für Leitungen, die mit einer eindeutigen Auslegung Fixpunkt-Loslager-Kompensation ausgeführt sind, gibt es keine Einschränkungen hinsichtlich des temperaturflexiblen Betriebs. Bei erdverlegten Kunststoffmantelrohren ist der wesentliche Einflussfaktor die Verlegetemperatur. Durch eine geschickte Wahl dieser Temperatur können die maximalen Spannungen in den Rohrleitungen signifikant unter den Dauerfestigkeitswerten gehalten werden.

Dabei ist wichtig, dass die Lastwechselanzahl in einem temperaturflexiblen Betrieb (je nach Rahmenbedingung ca. 70 -200 Lastwechsel pro Jahr) aufsummiert auf die Lebensdauer der Leitungen um den Faktor 103 niedriger sind als die den Dauerfestigkeitswerten zugrundeliegenden Lastspiele. Dies gilt jedoch unter der Voraussetzung, dass die Hausanschlussleitungen und Abzweigungen entsprechend der geltenden Verlegevorschriften und Normen ausgeführt sind.

Die Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung weisen für das Referenzszenario eine Amortisationszeit von 21 Jahren auf. Mit einer Amortisation nach 22 Jahren (Betrachtungszeitraum von 25 Jahren) erzielt auch das Szenario mit Clusterspeichern einen positiven Kapitalwert. Der Einsatz von dezentralen Speichern lässt sich dagegen nicht wirtschaftlich darstellen. Die Einbindung der Solarthermie auf allen geeigneten Dächern erzielt bei allen Szenarien aufgrund der hohen Investitionskosten ebenfalls einen negativen Kapitalwert.

Die Bewertung der Ökoeffizienz wurde mithilfe der eingesparten Brennstoffmenge durchgeführt. Durch das Wärmespeicher-Clustering kann der Biomasseeinsatz um bis zu 53 Tonnen jährlich verringert werden. Die Ressourcenschonung im Fall der Solarthermie-Einbindung beträgt ein Vielfaches, beispielsweise im Szenario mit reduzierten Solarflächen bis zu 990 Tonnen pro Jahr.

Bei der Analyse der Szenarien stellte sich heraus, dass der größte Einfluss von der Höhe der Wärmeabnahme ausgeht, gefolgt von den Biomassebrennstoffkosten, dem Betrachtungszeitraum und der Förderquote. Vergleichsweise geringen Einfluss haben dagegen die relativen Änderungen der Speicherinvestitionskosten, des kalkulatorischen Zinssatzes oder der Netzverluste.

Im Fall der Solarthermie-Szenarien weisen die Investitionskosten den größten Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit aus. Von Bedeutung sind zudem die Wärmeabnahme und an dritter Stelle die Förderrate. Der Grund dafür liegt im größeren Einfluss der Investitionskosten und der damit verbundenen Investitionsförderung sowie die gestiegene solare Deckung. Auch der kalkulatorische Zinssatz hat deshalb einen bedeutenderen Einfluss als die Brennstoffkosten.

Das Ergebnis der Risikoanalyse spiegelt die Entwicklung auf dem Energiemarkt der letzten Jahre wider. Die größten Auswirkungen auf den Kapitalwert haben demnach Änderungen beim Wärmepreisindex und dem Biomasseindex.

Ausblick

Der TFlex-Betrieb ist in der Lage, im reinen Speicherbetrieb geringe Mengen an Kohlenstoffdioxid und Brennstoffenergie einzusparen, mit Einbindung der solaren Erträge auch wesentlich größere Mengen. Aus wirtschaftlicher Betrachtung ist jedoch nur die Konstellation ausschließlich mit den Cluster-Speichern in bescheidenem Ausmaß sinnvoll. Dies insbesondere dann, wenn bei Installation von Cluster-Speichern die Abnehmer auf engem Raum gruppiert sind, die Abnehmerstruktur ähnlich ist (keine privaten Abnehmer zugleich mit großen Gewerbebetrieben oder Industriebetrieben) und die räumliche Distanz zwischen Heizwerk und Speicher möglichst groß ist, damit möglichst große Leitungsabschnitte abgeschaltet werden können.
Dieses Sondierungsprojekt diente dazu, um herauszufinden, ob dieser TFlex-Betrieb energetisch und wirtschaftlich sinnvoll ist und ob dies bezüglich der Rohrstatik auch zulässig ist. Da jedoch im Hinblick auf die wirtschaftlichen Ergebnisse für die im Rahmen der Projektpartner im Verantwortungsbereich liegenden Nahwärmenetze keine für den TFlex-Betrieb oben erwähnten optimalen Bedingungen aufweisen, ist auch kein Umsetzungs- oder Demonstrationsprojekt geplant.

Projektleitung

Lehrstuhl für Energieverbundtechnik, Montanuniversität Leoben

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen

• FH JOANNEUM Gesellschaft mbH

• Lehrstuhl für Wirtschafts- u. Betriebswissenschaften, Montanuniversität Leoben

• TB Harald Kaufmann GmbH

Univ. Prof. DI Dr. techn. Thomas Kienberger
Franz-Josef-Straße 18
A-8700 Leoben
Tel.: +43 (3842) 402-5400
E-Mail: thomas.kienberger@unileoben.ac.at
Web: http://evt.unileoben.ac.at/