Sektorkopplung mit kalter Nahwärme aus Geothermie intelligenter Energieaustausch am Beispiel einer Plusenergiesiedlung in Wüstenrot

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1 Sektorkopplung mit kalter Nahwärme aus Geothermie intelligenter Energieaustausch am Beispiel einer Plusenergiesiedlung in Wüstenrot Marcus Brennenstuhl M.Sc.

2 Kalte Nahwärme Ein innovatives Versorgungskonzept Dezentrale Wärmepumpen für Heizung und Warmwasser direkte Kühlung im Sommer 7 10 kwp PV Anlagen auf den Gebäuden 6 Batterien mit je 5 kwh Intelligentes Last und Speichermanagement und SmartGrid Anbindung 25 Plus Energiegebäude Agrothermiewerk Agrothermie Kollektor Optimal: Abwärme aus Kälteanalgen (2 x 110 kw Rückkühler) Kaltes Wärmenetz Niedertemperatur Wärmequelle/ senke Direkte Gebäudekühlung im Sommer Wärmebedarf 250 MWh/a (55 kwh/m²a)

3 Nutzung von Abwärme aus Kühlprozessen Abwärme Verflüssiger bestehender Kühlkreislauf Solegekühlter Verflüssiger Expansionsventil Verdampfer Tiefkühlung Normalkühlung Kompressor Vorteile Kaltwärmenetzanschluss Senkung des Stromverbrauchs (Kompressor, Axiallüfter, WP) ganzjährige Nutzung Anschluss Kaltwärmenetz

4 Kaltwärmenetz und Agrothermie Grundgedanke: Vernetzung heterogener Verbrauchergruppen mit agrothermischen Pufferflächen Doppelacker GmbH, Tasdorfer Straße 42, Petershagen Eggersdorf, ,

5 Kaltwärmenetz und Agrothermieflächen Montagetechnik zur thermischen Erschließung des Bodenkörpers Quelle: Doppelacker

6 Verlegetechnik der Argothermie Modellfotos der Einpflügetechnik Doppelacker GmbH, Tasdorfer Straße 42, Petershagen Eggersdorf, ,

7 Kaltwärmenetz und Agrothermieflächen Montage der Agrothermie Kollektorflächen in Wüstenrot Kopfgraben Einpflügevorgang Schnittfläche Quelle: Doppelacker

8 Agrothermie Auslegung Wüstenrot A) Auslegung nach Wärmebedarf Wärmebedarf (25 Wohngebäude): Q h = 250 MWh/a Ausbaureserve, Bestandsgebäude Q h = 150 MWh/a Ausbaureserve, Erweiterung: Q h = 120 MWh/a Gesamtwärmebedarf: Q h,ges = 520 MWh/a Möglicher Wärmeentzug: kwh/m²a Erforderliche Agrothermiefläche: m² B) Auslegung nach Entzugsleistung Wärmebedarf (8 kw x kw x 10): P h = 160 kwx(1 1/3,7)= 117 kw Ausbaureserve (12 kw x 5 Gebäude): P h = 60 kwx(1 1/3,7)= 44 kw Ausbaureserve (8kW x 10 Gebäude): P h = 80 kwx(1 1/3,7)= 59 kw Gesamtleistungsbedarf: P h,ges = 320 kw Mögliche Entzugsleistung: W/m² Erforderliche Agrothermiefläche: m² Ansatz 1.5 ha Doppelacker GmbH, Tasdorfer Straße 42, Petershagen Eggersdorf, , info@doppelacker.com

9 Reale Kosten des installierten Systems Agrothermiekollektorfeld 1,5 ha i.e. 16,00 /m² (750 /kw) Glykol i.e. 2,26 /m² Kaltwärmenetz i.e 350 /m Gesamtkosten i.e. 28,26 /m² Förderung Anschlussgebühr (180 /kw th ) Verbleibende Kosten i.e. 8,82 /m² Einnahmen durch Wärmeverkauf: 400 MWh/a *30 /MWh = /a ( künftig Flatrate 60 pro kw pro Jahr) Statische Amortisation: 11 Jahre (35 Jahre ohne Förderung) Feld überdimensioniert/ausbaureserve! Hohe Kosten durch Prototyp künftig 40% Wärmenetz im Nachtrag eingebracht Hohe Kosten Real 30% Doppelacker GmbH, Tasdorfer Straße 42, Petershagen Eggersdorf, , info@doppelacker.com

10 Nutzung von Abwärme aus Kühlprozessen Win Win Situation für die Energieeffizienz 0.44 ha 1.06 ha

11 Intelligentes Lastmanagement Einbindung in das Virtuelle Kraftwerk der Stadtwerke Schwäbisch Hall Virtuelles Kraftwerk Optimierung Netzauslastung Server in der Cloud PV + Stromspeicher Wärmepumpe Pufferspeicher Prof. Dr. Mustermann, Agrothermie Kollektoren 11

12 Intelligentes Lastmanagement Lokale Optimierung Eigenstromnutzung je Gebäude Last und Erzeugungsprofil Wettervorhersage Simulation Erzeugung Statistik Stromlasten Nutzerprofile Simulation Wärmebedarf Fahrplan WP + Batterie Optimierung Fahrplan Batterie Fahrplan WP Fahrplan variable Lasten (WM, SP, E Mobil) Potential verfügbarer Stromsenken Generator Einzelfahrplan Virtuelles Kraftwerk Summen Signal Cluster Übergeordnete Netzoptimierung (Stadtwerke Schwäbisch Hall)

13 Intelligentes Lastmanagement auf Gebäudeebene Optimierungsziele : soviel Eigenverbrauch wie möglich sowenig Leistungsspitzen ins Netz wie möglich Direktes Laden W / Wh Speicherinhalt Einspeisung Verbrauch PV Leistung 0 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 Verzögertes Laden bzw. Peak Shaving Speicherinhalt W / Wh PV Leistung Einspeisung 0 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 Zeit Quelle: Jann Binder, ZSW

14 Intelligentes Lastmanagement auf Gebäudeebene Modellprädiktive Steuerung (MPC) von elektrischem Speicher und Wärmepumpe mit Wärmespeicher erhöht den Eigenverbrauchsanteil regenerativ erzeugter Energie reduziert den Verlust durch Abregelung über dem Einspeiselimit (hier 50% PV peak ) PV = 4500Wp, Batterie = 4500Wh, Einspeiselimit 2250W (50% der Peakleistung), Wärmeversorgung mit Wärmepumpe, Haushaltgeräte 4500 kwh B. Matthiss, ZSW, OTTI Konferenz zukünftige Stromnetze für Erneuerbare Energien, , Berlin

15 Praktische Probleme Übergabestation Stärkere Vereisung am Zulauf vom Kaltwärmenetz! 1 5

16 Praktische Probleme Einfaches Problem deutlicher Effekt! Fehlende Rückschlagklappe Lokale Zirkulation HP1 Werkseitig vertauschte Beschriftung von Vor und Rücklauf HP2 1 6

17 Vorlauftemperaturen aus dem Kaltwärmenetz Source: ZSW Stuttgart 17

18 Wo stehen wir heute? 14 Wohnhäuser sind fertiggestellt und hängen am Netz JAZ > 4,5 System zum Monitoring und zur intelligenten Steuerung in Betrieb Cloud basierte Lösung mit abgesicherter Datenübertragung hat sich gelohnt Anschluss REWE steht noch aus!

19 Vielen Dank!

20 Effiziente Systemhydraulik 1.5 m³/h Agrothermiekollektor 1 DN40 DN250 DN40 max. 51m³/h Erreichte Effizienz: JAZ = 4,2 4,7 + freie Kühlung! Dezentrale Pumpen DN250 Agrothermiekollektor 2

21 Wirtschaftlichkeit Montageleistung und Kostenaufwand Kollektorregister: je Bodenbedingungen ca. 0,5 ha/tag (5 km verlegte Erdkollektorrohre) Montage Sammelrohre und Anschluss Kollektorrohre incl. DVGW QS Erschließungskosten ca. 500 /kw th (vgl. Sondenanlage ca /kw th ) Thermische Leistung und Ertrag: einmalige Umlage Erschließung und Hausanschluss (Abhängig von Anschlussdichte) gemäß DIN zwischen ca. 150 bis 420 kw th /ha bei Vollbetriebsstunden ( kwh th /ha bei Ansatz von 200 kw th /ha) zuzüglich Einnahmen aus passiver Kühlung (zunächst unberücksichtigt) für eine kwh Erdwärme können ca. 3 Cent Erlös veranschlagt werden, d.h. ca /ha p.a. (bei 400 MWh Gesamtwärmebedarf) bei einer Jahres Arbeitszahl der Wärmepumpe von 4 ergeben sich für ein EFH KFW 55 Wärmegestehungskosten von 19 Cent/kWh (Vollkostenrechnung) Doppelacker GmbH, Tasdorfer Straße 42, Petershagen Eggersdorf, , info@doppelacker.com

22 Wirtschaftlicher Vergleich unterschiedlicher Heizsysteme (2014) Wärmegestehungskosten / /kwh 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,188 0,223 0,201 0,210 0,234 0,190 0,00 WP Agro LNG WP Erd Öl Brennwert Pellet WP Luft Zusatznutzung zur Raumkühlung und Effizienzgewinne durch heterogene Lastfallkonditionen noch nicht berücksichtigt! Doppelacker GmbH, Tasdorfer Straße 42, Petershagen Eggersdorf, , info@doppelacker.com