Urban district heating extended - Flexibilisierung und Dekarbonisierung urbaner Fernwärmesysteme

Status

abgeschlossen

Ausgangssituation/Motivation

Im Jahr 2016 wurden 22 TWh/a, das entspricht 7 % des gesamten österreichischen Energiebedarfs (311 TWh/a, einschließlich Strom, Industrie und Verkehr) durch Fernwärme gedeckt. 28% (87 TWh/a) des Gesamtenergiebedarfs wurden in Österreich für Raumwärme aufgewendet, 23% (72 TWh/a) für thermische Prozesse in der Industrie. Die Erreichung mittel- und langfristiger internationaler und nationaler Klimaziele wie dem Pariser Klimaabkommen und der Klima- und Energiestrategie Österreichs 2018 ist eine große Herausforderung, bei der flexible und nachhaltige Fernwärmesysteme eine zentrale Rolle spielen. Fernwärme erlaubt eine effiziente Integration von Erneuerbaren und Speichern und birgt erhebliche CO2- und auch Kostenreduktionspotentiale bei der Deckung des Wärmebedarfs, insbesondere im urbanen Umfeld. Daher sind Lösungsansätze für neuartige Fernwärmekonzepte essenziell.

Inhalte und Zielsetzungen

Im gegenständlichen Projektvorhaben wurden innovative technische Konzepte für eine Erweiterung urbaner Fernwärmeversorgungssysteme entwickelt und simulationstechnisch analysiert. Zielsetzung war, durch Integration u.a. von Langzeitwärmespeichern, (Groß-)Wärmepumpen und solarthermischen Großanlagen eine flexible Fernwärmebereitstellung zu ermöglichen und die Anteile erneuerbarer Energieträger als auch die Deckungsanteile aus Abwärmenutzung signifikant zu steigern. Konkret wird für drei charakteristische Fernwärmeversorgungsgebiete unterschiedlicher Größe (Wien, Klagenfurt, Mürzzuschlag) und mit unterschiedlichem Erzeugungsportfolio bewertet, welchen Mehrwert die drei untersuchten Komponenten darstellen können.

Methodische Vorgehensweise

Die für Analyse der drei Fernwärmeversorgungsgebiete erforderlichen Methoden und Simulationswerkzeuge auf Komponenten- und Systemebene wurden entwickelt (z.B. in Dymola, TRNSYS) und validiert. Basierend auf den vorhandenen Systemen wurden unterschiedliche technische Konfigurationen (z.B. Solarthermie + Wärmepumpe + Langzeitspeicher) und Einsatzreihenfolgen simuliert und bewertet, basierend auf lokalen, technischen sowie ökonomischen Randbedingungen. Die Ergebnisse und Erkenntnisse der Untersuchungen wurden auch hinsichtlich der Übertragbarkeit auf andere urbane Fernwärmeversorgungsgebiete bewertet.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Die im Rahmen des Projektes entwickelte Herangehensweise, die a) auf vorherigen Erfahrungen und Expertisen als Grundgerüst basiert und b) um die spezifischen Herausforderungen aus den Fragenstellungen des Projekts zur Dekarbonisierung der Fernwärme durch die betrachteten Systemlösungen ergänzt, hat wertvolle Erkenntnisse über die technische und wirtschaftliche Machbarkeit gebracht, inwieweit die untersuchten Komponenten einzeln und im Zusammenspiel in kleinen bis sehr großen Fernwärmesystemen in Österreich eingesetzt werden können. Ferner hat sie sich als gute Basis für weitere, vergleichbare Machbarkeitsstudien der Industriepartner sowie wichtiges Element weiterer Forschungsprojekte in diesen Themenkomplex bewiesen. Diese Herangehensweise war ein zweistufiger Prozess, um 1) die technische und ökonomische Machbarkeit verschiedener Konzepte für die Dekarbonisierung von unterschiedlichen Fernwärmesystemen zu bewerten und dann b) technische Detailfragen zu klären. Darüber hinaus bilden die Erkenntnisse und Erfahrungen des Forschungsprojektes die Basis für eine kritische Auseinandersetzung mit der Fragestellung einer möglichen Übertragbarkeit der Methodik sowie der Projektergebnisse auf andere urbane Fernwärmeversorgungsgebiete. Die Ergebnisse des Projektes sind somit für Energieversorgungs- und Fernwärmebetreiber relevant, als auch für Planer und technische Büros.

Ausblick

Ein Ersatz fossiler Energiequellen in der Energie- und Wärmeversorgung ist zwingend und zeitnah notwendig, um unsere Wärmeversorgung nachhaltig zu gestalten. Der Fernwärme fällt hier eine gewichtige Rolle zu, da großes Potential besteht, um Erneuerbare Wärme effizient zu integrieren und damit Gebäude zu versorgen. Dies zeigen auch die präsentierten Resultate und Erkenntnisse. Jedoch existiert ein klarer Forschungs-, Entwicklungs- und Demonstrationsbedarf in den Bereichen a) Verbessertes Knowhow der Einzelkomponenten, b) Systemische Integration und c) Kooperation zwischen Planern, Forschung und Energieversorger und Dissemination der Ergebnisse, um die Projektergebnisse zu erweitern und zu testen als auch um weiteres Roll-Out zu ermöglichen.

Erläuterung

Hochtemperaturschiene - zum Beispiel:

• Fernwärme-Transportleitung,
• Fernwärme-Verteilnetz,
• Hochtemperatur (Industrie-) Abwärme,
• Austreiberkreis Absorptionswärmepumpe,
• Fernwärmespeicher (druckbehaftet) Lade- und Entladekreis;

Nieder-/Mitteltemperaturschiene - zum Beispiel:

• Fernwärme Niedertemperaturnetz,
• Niedertemperatur (Industrie-) Abwärme,
• Solarkreis,
• Verdampferkreis Wärmepumpe,
• Langzeitspeicher Lade- und Entladekreis

Projektleitung

AEE – Institut für Nachhaltige Technologien (AEE INTEC)

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen

• S.O.L.I.D. Gesellschaft für Solarinstallation und Design mbH
• Technische Universität Graz - Institut für Wärmetechnik
• Wien Energie GmbH
• STW Stadtwerke Klagenfurt AG
• Stadtwerke Mürzzuschlag Gesellschaft m.b.H.

Dr. Ingo Leusbrock
Feldgasse 19
A-8200 Gleisdorf
Tel.: +43 (3112) 5886-261
E-Mail: i.leusbrock@aee.at
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