Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als

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1 Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Energietage 2018 Prof. Dr. Ing. Tobias Schrag

2 Gliederung Das Projekt NATAR Messtechnische Untersuchungen Sektorkopplung Modellierung Zusammenfassung und Ausblick Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 2

3 Das Projekt NATAR Messtechnische Untersuchungen Sektorkopplung Modellierung Zusammenfassung und Ausblick Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 3

4 Das Projekt NATAR Das System Dollnstein Komponenten zur Stromund Wärmekopplung Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 4

5 Das Projekt NATAR Netze mit abgesenkter Temperatur als Anbieter von Regelleistung Laufzeit: Herausforderungen: Wärmeerzeugung und -produktion Bereitstellung von Strom für das Netz Ziel: Optimierung des Nahwärmenetzes mit variable Temperaturen und intelligente Kopplung zwischen dem Wärme- und Stromsektor. Chancen: Reduzierung der Wärmeverluste Schaffung von Ausgleich im Stromnetz Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 5

6 Das Projekt NATAR Projektablauf Realität Konzept zur Datenerhebung Datenerhebung Modell Objektorientierte Modellierung Dynamische Jahressimulation Validierung Abgleich der Simulationsergebnisse mit den Messdaten (Teilmodelle und Gesamtmodell) Optimierung Wärmenetz Gekoppeltes Energiesystem (Strom und Wärme) Tarife Entwicklung von Tarifsystemen zur Unterstützung des für das Stromnetz dienlichen Einsatzes von Nahwärmenetzen Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 6

7 Das Projekt NATAR Messtechnische Untersuchungen Sektorkopplung Modellierung Zusammenfassung und Ausblick Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 7

8 Messtechnische Untersuchungen Messstellenpläne Heizzentrale Hausübergabestation Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 8

9 Messtechnische Untersuchungen Reduzierung der Einsatzzeit des Spitzenlastkessel (1) BHKW und WP schalten mehrmals am Tag ein und aus Spitzenlastkessel ist mehrmals am Tag aufgrund niedriger Speichertemperaturen in Betrieb Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 9

10 Messtechnische Untersuchungen Reduzierung der Einsatzzeit des Spitzenlastkessel (2) BHKW und WP schalten weniger häufig an und aus Spitzenlastkessel seltener in Betrieb aufgrund der verbesserten Regelung unter Einbeziehung der Vorlauftemperatur im Wärmenetz Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 10

11 Messtechnische Untersuchungen Bilanzierung des Gesamtsystems Betrachtungszeitraum: bis Niedertemperaturnetz: bis Genutzte Energieträger Flüssiggas 918,49 MWh Strombezug - Stromeinspeisung 102,13 MWh Solarthermie (gesamt) 78,56 MWh Brunnen??? MWh Einspeisung in SSP: 958,45 MWh Einspeisung in Wärmenetz: 928,79 MWh Strom dez. WP:??? MWh Abgenommene Wärme 662,58 MWh Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 11

12 Messtechnische Untersuchungen Erste Ergebnisse aus der Energiebilanz Solarthermie erzielt hohe spez. Erträge. Brunnen kann weniger Umgebungswärme als geplant bereitstellen, da Probleme mit der Wärmepumpe. Rücklauftemperatur im Netz senken System arbeitet weniger ökologisch und effizient als in der Auslegungsphase geplant Aus ökonomischen Gründen höherer Erdgasanteil, da Erdgas im Vergleich zu aus dem Netz bezogenen Strom sehr günstig Aggregate sind weniger leistungsfähig als durch Hersteller versprochen (BHKW hat schlechte Performance in Teillast, CO 2 -WP kann nicht auf angestrebten Temperaturniveau arbeiten) Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 12

13 Messtechnische Untersuchungen Strategien zur Änderung der Betriebsweise Hoher COP der dez. WP Niedrigere RL-Temperatur Dez. WP können nicht den gesamten BHKW Strom abnehmen Strategie 1: Betrieb der dez., Wärmepumpen, wenn BHKW in Betrieb Es wird keine Wärme im Kreis gefahren Geringere Brennstoffausnutzung durch BHKW da weniger Brennwertnutzung (da NT-Speicher voll) Strategie 2: Betrieb der zentralen WP nur wenn SSP unter Grenztemperatur Hoher COP der dez. WP Niedrigere RL-Temperatur Geringerer Stromüberschuss durch BHKW durch kombinierte Nutzung von zentr. WP und dezentr. WP Strategie 3: Kombination der Strategie 1 und Strategie 2 Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 13

14 Das Projekt NATAR Messtechnische Untersuchungen Sektorkopplung Modellierung Zusammenfassung und Ausblick Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 14

15 Sektorkopplung Anforderungen des Stromnetzes Frequenzhaltung Spannungshaltung Steuerung von Erzeugungsanlagen Residuallastausgleich Peak-shaving Regelenergie Zu-/Abschaltbare Lasten Automatische Frequenzentlastung Blindleistungsregelung Kurzschlussleistung Transformatorstufe und Umschaltungen Systemdienstleistungen Versorgungswiederaufbau Schwarzstart- und Inselnetz-Fähigkeit Inbetriebnahme mit/ohne Spannungsvorschaltung Netzebenen-übergreifende Koordinierung Betriebsführung Einspeisemanagement Redispatch/Engpassmanagement Betriebsplanung/Ausschaltplanung Reservekraftwerke Datenaustausch (Energieinformationsnetz) Netzausgleich nach Fahrplan Tag-Nacht- Verschiebung Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 15

16 Sektorkopplung Lastverschiebung Steuerung von Erzeugungsanlagen Methoden für Nutzung der Stromspitzen: Tag-Nacht-Verschiebung Residuallastausgleich Peak-Shaving Netzausgleich nach Fahrplan Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 16

17 Sektorkopplung Anforderungen des Stromnetzes Technische Möglichkeiten des Wärmenetzes Schichtspeicher Volumen: 25 m³ ΔT = 30 K Energie: 860 kwh Niedertemperaturspeicher Volumen: 15 m³ ΔT = 11 K Energie: 190 kwh Dezentrale Speicher Volumen: je L Art: Puffer, SSP, Boiler ΔT = 20 K Energie: kwh Wärmenetz Volumen: 12 m³ ΔT = per 10 K Energie: 140 kwh Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 17

18 Sektorkopplung Möglichkeiten des Wärmenetzes zur Bereitstellung von Systemdienstleistungen Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 18

19 Quelle: Monitoringreferat der Bundesnetzagentur Einspeisemanagement in GWh Sektorkopplung Potentiale quartalsweise abgeregelter Erneuerbarer Energien nach Bundesländern Quartal Schleswig-Holstein Brandenburg Niedersachsen Sachsen-Anhalt Thüringen Nordrhein-Westfalen Mecklenburg-Vorpommern Rheinland-Pfalz Bayern Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 19

20 Quelle: Monitoringreferat der Bundesnetzagentur Sektorkopplung Potentiale abgeregelter Erneuerbarer Energien Einsatzmanagementmaßnahmen nach Energieträgern Wind Onshore (größter Anteil) Wind Offshore (stark ansteigend) Solar Einsatzmanagementmaßnahmen nach Netzebene Einspeisemanagementmaßnahmen meist auf Verteilnetzebene Einsatzmanagementmaßnahmen nach Bundesländern Insbesondere Bundesländer mit vielen Windenergieanlagen: Schleswig-Holstein Brandenburg Niedersachsen Entschädigungszahlungen aufgrund von EinsMan Über 350 Mio. in Deutschland im Jahr 2016 Weniger als in Bayern im Jahr 2016 Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 20

21 Das Projekt NATAR Messtechnische Untersuchungen Sektorkopplung Modellierung Zusammenfassung und Ausblick Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 21

22 Modellierung Systemsimulation Modelica / Dymola Bibliotheken: MSL, IBPSA, BuildingSystems, Buildings, IDEAS, AixLib Modell Detailliertes Modell der Heizzentrale Einfaches / detaillierteres Modell des Wärmenetzes Einfache / detailliertere Modelle der Hausübergabestationen Reale Regelung Elektrisches Netz als Randbedingung Validierung durch Messdaten Erprobung neuer Regelstrategien Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 22

23 Das Projekt NATAR Messtechnische Untersuchungen Sektorkopplung Modellierung Zusammenfassung und Ausblick Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 23

24 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Einbindung der Solarthermie funktioniert sehr gut und liefert hohe spezifische Erträge. Aggregate sind weniger Leistungsstark als versprochen, weshalb die Nutzung von Umgebungswärme durch die Brunnen teils ausgebremst wird. Wärmepumpennutzung hängt stark von Eigenstromnutzung und den Rahmenbedingungen der Nutzung von regenerativem Überschussstrom ab. Ausblick Fortsetzung der messtechnischen Untersuchung. Detaillierte Modellierung und Simulation des Gesamtsystem zur Untersuchung von veränderten Regelstrategien und ggfs. deren Umsetzung im realen System. Untersuchung verschiedener Regelungs- und Vermarktungsstrategien. Nahwärmenetze mit variablen Temperaturen als Speicher für das Stromnetz Seite 24

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr. Ing. Tobias Schrag Technische Hochschule Ingolstadt

26 Ein Vortrag im Rahmen der Diese Seite darf nicht entfernt werden. Für die in diesen Unterlagen bereit gestellten Informationen kann keine Haftung übernommen werden. Die Verantwortung für die Inhalte in diesem Vortrag, auch urheberrechtlicher Natur, liegen bei der Referentin/dem Referent. Bei Fragen oder Ansprüchen kontaktieren Sie diese bitte direkt. Eine kommerzielle Weiterverbreitung darf nur nach schriftlicher Genehmigung der Rechteinhaberin erfolgen Referent(in) / Veranstalter(in) Die Leitveranstaltung der Energiewende in Deutschland fand in 2018 vom 07. bis zum 09. Mai im Ludwig Erhard Haus in Berlin statt. Weitere Informationen und viele Vortragsunterlagen zu über 350 Vorträgen aus 57 Veranstaltungen im Rahmen der Berliner ENERGIETAGE 2018 finden Sie unter