MULTI-transfer Erforschung einer multifunktionalen Übergabestation inkl. innovativem Regelungskonzept für Nah-/Fernwärmesysteme

Im Zuge des Projekts MULTI-transfer soll die Erforschung und Ableitung von Planungs- und Handlungsempfehlungen für den Aufbau und den Einsatz multifunktionaler Wärmeübergabestationen in Kombination mit intelligenten Regelungsstrategien für das Gesamtsystem erfolgen (sowohl für Neubau, als auch für den Bestand). Dazu wird eine Detailbetrachtung von drei Anwendungsfällen durchgeführt: Solarthermie-Einspeisung, Wärmepumpen-Anwendungen und Abwärme-Integration (z. B. aus gewerblichen Kälteanlagen). Die innovative Systemlösung setzt damit sowohl auf der Erzeugerseite (Primärseite) hinsichtlich Optimierung der Einspeisung und des Netzbetriebes, als auch auf der Verbraucherseite (Sekundärseite) hinsichtlich sich ergänzender Lastprofile und Regelung von Übergabestationen an.

Im Zuge dieses Projekts wird der Aufbau und der Einsatz multifunktionaler Übergabestationen in Kombination mit intelligenten Regelungsstrategien untersucht. Dazu soll eine Detailbetrachtung folgender drei Anwendungsfälle erfolgen: Solarthermie-Einspeisung auf der Sekundärseite, größere Wärmepumpenanwendungen auf der Primärseite, Abwärme-Integration aus mittelgroßen (gewerblichen) Kälteanlagen auf der Sekundärseite. Setzt man eine Maßnahme an einem Punkt des Netzes (z.B. sekundärseitig) hat das auch auf die Primärseite Auswirkungen. Es muss daher das gesamte Systems betrachtet werden. Dabei spielt der Druck in der FW-Leitung eine wichtige Rolle. Im Idealfall sollten Drücke im Primär- und Sekundärkreislauf gleich sein. Bei höheren Drücken im Primärkreislauf wird sich die Einbindung von Prosumern bei bestimmten Einspeisevarianten schwieriger gestalten. Der geringe Durchfluss im Sommer kann bei der Einbindung von Prosumern zu hydraulischen Problemen führen. Bei der hydraulischen Auslegung solcher Anlagen gibt es kaum Erfahrung. Hier müssen Fragen geklärt werden – wann welche Pumpe im Betrieb sein soll bzw. muss. FW-Netze können als Zwei- oder Dreileiternetze ausgeführt werden. Aufgrund der Tatsache, dass heute fast ausschließlich 2-Leiternetze gebaut werden bzw. vorhanden sind, werden im Zuge von MULTI-transfer ausschließlich 2-Leiternetze betrachtet. Die Einbindung dezentraler Wärmerzeuger in das Netz kann direkt, hydraulisch getrennt mittels Wärmeüberträger, hydraulisch entkoppelt über eine hydraulische Weiche oder mit dezentralem Energiespeicher erfolgen. Voraussetzung für eine Direkteinbindung des Wärmeerzeugers in das FW-Netz ist, dass der Wärmeerzeuger dem hohen Druckniveau standhält und nur Wasser eingesetzt wird. Bei der Einbindung von thermischen Solaranlagen und Kälteanlagen ist immer eine hydraulische Trennung erforderlich. Die örtliche Lage der Prosumer im betreffenden Netz ist äußerst wichtig. Die Stabilisierung des Drucks im System ist von größter Wichtigkeit und ermöglicht eine leichtere Einspeisung in das Wärmeversorgungssystem. Vor allem bei Stahlrohren muss die Temperatur im System ebenfalls möglichst konstant gehalten werden, um Ermüdungsbrüche aufgrund von Wärmespannungen zu vermeiden. Die Lage der dezentralen Wärmeeinspeisung kann die Einspeisung von Prosumern in bereits bestehenden Netzen stark einschränken. In Einzelfällen kann es sogar zu einem Stillstand der Wassersäule kommen. Bei der Einspeisung von Wärme in bestehende Wärmenetze gibt es technisch grundsätzlich drei Möglichkeiten:

• Von Rücklauf (RL) in Vorlauf (VL)
• RL-Anhebung
• VL-Anhebung

Die Entnahme des Wärmeträgermediums aus dem RL und die Wiedereinspeisung in den VL ist die bevorzugte Variante, benötigt aber eine hohe Pumpleistung, da der Differenzdruck zwischen FW-VL und FL-RL im Wärmenetz überwunden und vom Einspeiser abgedeckt werden muss. Problematisch könnten die kleinen Volumenströme und die hohen Differenzdrücke (bis 1 bar) bei der Einspeisung in den VL sein. Für solche Anwendungsfälle gibt es nur eine begrenzte Anzahl an Herstellern. Die RL-Temperaturen bleiben konstant.

Bei der RL-Anhebung erfolgt die Entnahme sowie die Wiedereinspeisung des Wärmeträgermediums im RL. Die Pumpenergie wird von den Netzpumpen oder von eigenen Wärmetauscher-Pumpen aufgebracht und deckt die Druckverluste des Wärmetauschers und der Verbindungsleitungen ab. Ein Strömungswiderstand muss in das FW-Netz eingebaut werden (bei Ausführung ohne eigener Wärmetauscher-Pumpe), um einen regelbaren Durchfluss durch den Wärmetauscher erzeugen zu können. Der Wirkungsgrad des primären Wärmeerzeugers verringert sich aufgrund der höheren RL-Temperaturen leicht. Es kann nur zusätzliche Energie in das FW-Netz eingebracht werden, der primäre Wärmetauscher kann nicht gänzlich ersetzt werden. In vielen kleineren Netzen ist eine RL-Anhebung mit der damit verbundenen höheren RL-Temperatur nicht vorteilhaft. Bei größeren Wärmenetzen und deutlich höheren RL-Temperatur kann eine RL-Anhebung aber durchaus sinnvoll sein.

Bei der VL-Anhebung wird das Wärmeträgermedium aus dem VL entnommen, durch einen Wärmetauscher geführt und wieder in den VL zurückeingespeist. Wie bei der RL-Anhebung ist es für den Netzbetreiber von Nachteil, dass er einen Strömungswiderstand in die FW-Leitung einbauen muss. Durch die höheren Netztemperaturen steigen die Netzverluste. Der Wirkungsgrad des primären Wärmeerzeugers bleibt unverändert. Der Vorteil für den Prosumer ist wie bei der RL-Anhebung, dass die Pumpenergie vom Netz aufgebracht wird.

Ausgangssituation

Die sekundärseitigen Integration von erneuerbaren Energien in ein Wärmenetz ist in vielen Fällen komplex und bezüglich der rein technischen Rahmenbedingungen, wie Erhaltung und Verbesserung der Gesamteffizienz des Versorgungssystems und Gewährung der Versorgungssicherheit (Temperatur- und Druckanforderungen, Speicherkapazität), eine Herausforderung für die Wärmeversorger. Anlagen bzw. Quellen auf Basis von Erneuerbaren müssen hinsichtlich ihrer Produktion, ihres verfügbaren Temperaturniveaus, ihrer Leistungsklasse und ihrer Logistik sinnvoll in das bestehende System integrierbar sein. Die technischen Entwicklungen (z.B. Energiemanagementtools) der letzten Jahre ermöglichen den transparenten Anlagenbetrieb und eine umfassende Analysemöglichkeiten zur einfachen Anpassung von Anlagenparametern und damit eine relativ einfache Systemoptimierung. Energiemanagementsysteme, welche eine systemübergreifende Regelung ermöglichen, sind somit Stand der Technik. Um den Anteil der erneuerbaren Energien an der Wärmeerzeugung zu steigern, muss jedoch die Struktur der Fernwärmeversorgung und die Interaktion samt Schnittstellen zwischen Versorger und Verbrauchern geändert werden. Um die Wärmesysteme den neuen Gegebenheiten anpassen zu können bzw. die Erzeugung flexibler und effizienter gestalten zu können, bedarf es einer Anpassung der Regel- und Betriebsstrategien und darüber hinaus einer multifunktionalen und idealerweise bidirektionalen „Übergabestation der Zukunft“ (für Wärmeeinspeisung und -entnahme). Eine derartige Technologie ist derzeit noch nicht verfügbar, weshalb es notwendig ist, diese Übergabestationen samt geeigneter Anwendungsfälle zu erforschen. Ziele und Innovationsgehalt: Im Zuge des Projektes soll die Erforschung und Ableitung von Planungs- und Handlungsempfehlungen für den Aufbau und den Einsatz multifunktionaler Wärmeübergabestationen in Kombination mit intelligenten Regelungsstrategien für das Gesamtsystem erfolgen (sowohl für Neubau, als auch für den Bestand). Dazu wird eine Detailbetrachtung von drei Anwendungsfällen durchgeführt: Solarthermie-Einspeisung, Wärme-pumpenanwendungen und Abwärme-Integration (z. B. aus gewerblichen Kälteanlagen). Die innovative Systemlösung setzt damit sowohl auf der Erzeugerseite (Primärseite) hinsichtlich Optimierung der Einspeisung und des Netzbetriebes (optimiertes Zusammenspiel von (Ab)wärmenutzung und Betrieb eines Heiz(kraft)werkes), sowie auf der Verbraucherseite (Sekundärseite) hinsichtlich sich ergänzender Lastprofile und Regelung von Übergabe-stationen an. Geplante Ergebnisse und Erkenntnisse: (1) Erarbeitung von Handlungs- und Planungsempfehlungen für eine neuartige Übergabestation, (2) Innovative Regelungs- und Betriebsstrategien, für (a) das Zusammenspiel unterschiedlicher Erzeuger und Verbraucher, (b) ein optimiertes Niedertemperatur(teil)netz, (c) für die Einbindung erneuerbarer Wärmequellen (Solarthermie, Abwärme, Wärmepumpen) in das bestehende System, (d) zur Integration der gängigsten Speichermöglichkeiten, (3) Schlussfolgerungen und Handlungsempfehlungen hinsichtlich weiterem F&E-Bedarf.