Fernwärme. Solarenergie in Nah- und Fernwärme DIE KOMFORT-ENERGIE. Dirk Mangold Steinbeis Forschungsinstitut, Stuttgart

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1 Fernwärme DIE KOMFORT-ENERGIE Solarenergie in Nah- und Fernwärme Dirk Mangold Steinbeis Forschungsinstitut, Stuttgart Fernwärme für Klimaschutz 10. Tagung vom 20. Januar 2011 in Biel-Bienne

2 Erste Evaluierungsergebnisse des Marktanreizprogramms für solarthermische Großanlagen Solar City Neckarsulm-Amorbach (5.500 m², ca. 3,9 MW)

3 Solarenergie in Nah- und Fernwärme Kurze Einführung, Wirtschaftlichkeit Techniken großer Kollektorfelder Saisonale Wärmespeicher Anwendungen und Beispiele Ausblick Fernwärme für Klimaschutz 10. Tagung vom 20. Januar 2011 in Biel-Bienne 3

4 Solites - Forschungsinstitut der Steinbeis Stiftung Steinbeis Stiftung für Wirtschaftsförderung Deutschlands größtes Technologietransferunternehmen Zentrale in Stuttgart, Jahresumsatz 2009: über 100 Mio auch in der Schweiz tätig als Steinbeis Transfer AG: Solites als Teil des Steinbeis Unternehmensverbundes Gegründet 2005 von zwei ehemaligen Wissenschaftlern des Instituts für Thermodynamik und Wärmetechnik der Universität Stuttgart 2010: 9 Wissenschaftler/innen, insgesamt 17 Mitarbeiter Forschung, Entwicklung und Beratung z. Bsp. für EU DG Tren, BMU, BMFT, Wirtschaftsministerium Ba-Wü, Landwirtschaftsministerium Ba-Wü, Stadt München, Stadtwerke Crailsheim, Saga GWG AG, Marstal Fjernwarme, Foster and Partners, Bauträger, Planungsbüros, Unternehmen, Industrieverbände, Forschungseinrichtungen Fernwärme für Klimaschutz 10. Tagung vom 20. Januar 2011 in Biel-Bienne 4

5 Expertise Leitung des deutschen Expertenkreises Langzeit-Wärmespeicher Leitung der AG 3 Saisonale Wärmespeicher der deutschen Solarthermie-Technologieplattform Mitglied des Expertenkreises Thermal Energy Storage der OECD/ IEA Headquarter Paris Mitglied des Steuerungskreises EEWärmeG (Erneuerbare Energien Wärmegesetz) und des Expertenkreises solarthermische Großanlagen des BMU Editor der Roadmap Solarthermie 2020 der Solarthermiebranche Dozent für solares Bauen an der Fakultät für Architektur, Universität Stuttgart

6 Solar unterstützte Nahwärme (mit saisonalem Wärmespeicher) Ziel: solarer Deckungsanteil am Gesamtwärmebedarf 5 bis über 50 % Solarkollektoren Heizzentrale Wärmenetz Solarnetz saisonaler Wärmespeicher

7 Zur Wirtschaftlichkeit: Integrales Energiekonzept 1995 ff Referenzgebäude Gesamtwärmebedarf für Raumheizung und Warmwasserbereitung Energiesparmaßnahme Siedlungswerk Stuttgart Markt Simulation des thermischen Gebäudeverhaltens Investitions-, Betriebs-, Wartungs- und Planungs- Mehrkosten jährliche Energieeinsparung Wärmepreis = annuisierte Mehrkosten Energieeinsparung Hegau Jugendwerk

8 Energieeinsparung durch Solarthermie Fossiler Wärmebedarf [kwh kwh/a m² Wohnfläche] Referenzgebäude nach ENEV Referenz-Wärmebedarf Einsparung Wärmedämmung 20% 20% 20% Wärmedämmung ca. 30 % besser 15% Wärmedämmung ca. 30 % besser + TW Solar Einsparung Solaranlage 40% Trinkwasserbereitung Trinkwasserbereitung Trinkwasserbereitung Trinkwasserbereitung Raumheizung Raumheizung Raumheizung Raumheizung Wärmedämmung ca. 30 % besser + sol. Nahwärme mit sais. Wärmespeicher

9 Systemkostenvergleich von solarthermischen Systemen Kostenbasis ,50 0,45 / m²kf] Systemkosten [ / m² ,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 solare Nutzwärmekosten [ /kwh] 0 Kleinanlage TW KF < 10 m² fsol ~ 7-15% Kleinanlage Kombi KF < 20 m² fsol ~ 12-20% Großanlage TW KF > 100 m² fsol ~ 3-10% Großanlage Kombi KF ~ 200 m² fsol ~ 15-20% SuN KF ~ 5000 m² fsol ~ 50% 0,00 TW: Trinkwasser, KF: Kollektorfläche; fsol: solare Deckung; SuN: Solare Nahwärme mit saisonalem Wärmespeicher

10 Solarenergie in Nah- und Fernwärme Kurze Einführung, Wirtschaftlichkeit Techniken großer Kollektorfelder Saisonale Wärmespeicher Anwendungen und Beispiele Ausblick Fernwärme für Klimaschutz 10. Tagung vom 20. Januar 2011 in Biel-Bienne 10

11 Aufständerung auf Flachdach Quelle: Ambiente Italia Quelle: Solites

12 Vakuumröhren-Kollektorfeld in Schwäbisch- Gmünd 1995

13 Ausführung großer dachintegrierter Kollektorfelder Großkollektoren Solardach

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15 Ein- und Mehrspeichersysteme

16 Ein- und Mehrspeichersysteme

17 Bodenaufständerung von Solarkollektoren in Marstal, DK ( m2) Fernwärme für Klimaschutz 10. Tagung vom 20. Januar 2011 in Biel-Bienne 17

18 Technische Erfahrungen bei großen Kollektorflächen Im Neubau: Dachintegration von Flachkollektoren, hinterlüftet Optimale Neigung der Kollektorfelder: 35 bis 45 gegen Horizontale bei 15 Neigung: Kollektorfläche 13 bis 15 % vergrößern Kollektorfeldhydraulik: Solarkreisdurchfluß: high flow im Absorberrohr und low flow im Kollektorkreis Rohrnetzberechnung anstatt Tichelmann Strangregulierventile zwischen Teilfeldern Sicherheitstechnik: Entlüftung und Sicherheitsventil (nur) in der Heizzentrale Membranausdehnungsgefäß, dynamische Druckhaltung, Überströmventil Fernwärme für Klimaschutz 10. Tagung vom 20. Januar 2011 in Biel-Bienne 18

19 Solarenergie in Nah- und Fernwärme Kurze Einführung, Wirtschaftlichkeit Techniken großer Kollektorfelder Saisonale Wärmespeicher Anwendungen und Beispiele Ausblick Fernwärme für Klimaschutz 10. Tagung vom 20. Januar 2011 in Biel-Bienne 19

20 Solare Deckungsanteile von Solarthermie im Wohnungsbau solarer Deckungsanteil: ca. 3% ca. 7% ca % ca. 50% Wärmemenge Wärmebedarf Solare Einstrahlung (relativ) Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez VDI 6002 Kombianlage im Sommer 100 % solar mit saisonalem Wärmespeicher

21 Jährliche Wärmeverluste / max. Wärmemenge im Speicher Saisonale Wärmespeicher sind groß! 350 l l m³ A: Oberfläche V: Volumen = 2,9 m² = 0,35 m³ A/V = 8,27 m m³

22 Jährliche Wärmeverluste / max. Wärmemenge im Speicher Saisonale Wärmespeicher sind groß! l m³ m³

23 Typologie der saisonalen Wärmespeicher Heißwasser-Wärmespeicher Erdbecken-Wärmespeicher (60 bis 80 kwh/m³) (60 bis 80 kwh/m³) Erdsonden-Wärmespeicher (15 bis 30 kwh/m³) Aquifer-Wärmespeicher (30 bis 40 kwh/m³)

24 Arbeitskreis Langzeit-Wärmespeicher Wirtschaftlich-technische Programmbegleitung Forschungspartner AK Langzeit-Wärmespeicher IGS, Uni Braunschweig ILEK, Uni Stuttgart ITW, Uni Stuttgart Thermo- und Fluiddynamik, TU Ilmenau ZAE Bayern, Garching TT, TU Chemnitz Ing.-büro Lichtenfels, Keltern PKi, Stuttgart Eon Hanse Wärme GmbH HGC GmbH, Hamburg Züblin Spezialtiefbau GmbH, Stgt. ISFH, Hameln EGS-Plan, Stuttgart GTN, Neubrandenburg Fsave, Kassel

25 Wissensplattform Fernwärme für Klimaschutz 10. Tagung vom 20. Januar 2011 in Biel-Bienne 25

26 Investitionskosten je m³ Wasseräquivalent [[ /m³] Investitionskosten von saisonalen Wärmespeichern gebaut Studie Heißwasser (HW) Kies-Wasser (KW) Erdwärmesonden Aquifer Ilmenau Rottweil (HW-GfK) Crailsheim(HW) Steinfurt 350 Geldwertkorrektur Kettmannhausen (HW-GfK) Hannover (HW-HLB) Hamburg Bielefeld Eggenstein Chemnitz Friedrichshafen (HW) Neckarsulm BerlinBiesdorf München (1. Ausbau) 1,000 Rostock Crailsheim 10,000 Speichervolumen in m³ Wasseräquivalent [m³] 100,000

27 Solarenergie in Nah- und Fernwärme Kurze Einführung, Wirtschaftlichkeit Techniken großer Kollektorfelder Saisonale Wärmespeicher Anwendungen und Beispiele Ausblick Fernwärme für Klimaschutz 10. Tagung vom 20. Januar 2011 in Biel-Bienne 27

28 Crailsheim Hirtenwiesen 2, f Wohngebiet Hirtenwiesen I Wohngebiet Hirtenwiesen II 2. BA Wärmenetz Solarnetz Heizzentrale an Nahwärme Wohngebiet Hirtenwiesen II 1. BA LM-Gymnasium Hirtenwiesenhalle 100 m³ WP Heizzentrale mit Wärmepumpe ErdsondenWärmespeicher 480 m³ Kollektoren auf dem Lärmschutzwall Versorgungsgebiet: 260 Wohnungen, Schule, Sporthalle etc. Wärmebedarf: MWh/Jahr Erdsonden-Wärmespeicher: Kollektorfläche: m² (Apertur) Solarer Deckungsanteil: Pufferspeicher: m³ (Wasser) m³ 50 % (simuliert)

29 Systemkonzept Crailsheim-Hirtenwiesen 2 Nachheizung Heizwerk 100 m³ PS 1 Nahwärmenetz Hirtenwiesen II PS m³ Wärmepumpe, 530 KW Speicher-System ErdsondenWärmespeicher m³

30 Crailsheim Hirtenwiesen 2, f (Source: Stadtwerke Crailsheim)

31 Crailsheim: neue Bauweise für Pufferspeicher (100 m³) aus Betonfertigteilen Betrieb auf 3 bar Druck und 108 C Maximaltemperatur Fernwärme für Klimaschutz 10. Tagung vom 20. Januar 2011 in Biel-Bienne 31

32 Erdsonden-Wärmespeicher in Crailsheim, 2008 Fernwärme für Klimaschutz 10. Tagung vom 20. Januar 2011 in Biel-Bienne 32

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34 Solar unterstützte Nahwärme in Hamburg Bramfeld Inbetriebnahme: 1996 (erste Pilotanlage zur saisonalen Wärmespeicherung in Deutschland) Betreiber: E.ON Hanse Wärme GmbH Versorgungsgebiet: 124 Reihenhäuser Gesamt-Wohnfläche: m² Gesamt-Wärmebedarf: MWh/a Solarkollektoren: m² / kw Speichervolumen: m³ Beton-Heißwasser-Wärmespeicher Solarer Deckungsanteil: 49 % (Planung) Fernwärme für Klimaschutz 10. Tagung vom 20. Januar 2011 in Biel-Bienne 34

35 Saisonaler Wärmespeicher Hamburg Ausgangszustand 30 cm Wärmedämmung 30 cm Stahlbeton Edelstahlauskleidung 20 cm Stahlbeton erhöhter Grundwasserstand! Fernwärme für Klimaschutz 10. Tagung vom 20. Januar 2011 in Biel-Bienne 35

36 Gründe für den Speicherumbau Hohe Wärmeverluste des Speichers Einbindung in das Fernwärmeverbundnetz HamburgOst Zukünftige Nutzung: Effiziente saisonale Speicherung solarer Wärme (ca. März. Okt.) Spitzenlastpufferung von KWK-Abwärme (bis ca. 10 MW) in bisher ungenutzten Zeiträumen (ca. Nov. Feb.) Fernwärme für Klimaschutz 10. Tagung vom 20. Januar 2011 in Biel-Bienne 36

37 Speichersanierung Hamburg Konzept 2: Stahltank einstellen Blechabdeckung Mineralfaserdämmung Stahlbehälter statische Abstützung Schaumglasschotter Grundwasser Beton Fernwärme für Klimaschutz 10. Tagung vom 20. Januar 2011 in Biel-Bienne 37

38 Integration von Solarthermie in das Fernwärmenetz Hamburg-Ost Netznutzungskonzept der E.ON Hanse Wärme GmbH: Einbindung von Solarthermieanlagen in das Verbundnetz: Nutzung des Verbundnetzes durch die Solarthermie: zur Wärmespeicherung (bis zu 8 Monate) zum Transport (Abnahme an anderer Stelle) Vorteile für Wohnbauträger als Solaranlagenbetreiber: bis zu m² in erster Phase (später m²) Günstige Investitionskosten Günstige Primärenergiefaktoren für Gebäude Vergütung für die Netznutzung: 2,1 2,5 Ct./kWh Fernwärme für Klimaschutz 10. Tagung vom 20. Januar 2011 in Biel-Bienne 38

39 Solarenergie in Nah- und Fernwärme Kurze Einführung, Wirtschaftlichkeit Techniken großer Kollektorfelder Saisonale Wärmespeicher Anwendungen und Beispiele Ausblick Fernwärme für Klimaschutz 10. Tagung vom 20. Januar 2011 in Biel-Bienne 39

40 EU-Initiative: SDHTake-Off: Solar District Heating Take-Off Europäische Ebene Euroheat & Power, CIT EnergyManagement 5 nationale Tandems: Fernwärmeverband + Consultant DE: AGFW + Solites (Koordinator) AT: Energie Graz + Solid DK: Marstall District Heating + PlanEnergi IT: AIRU + Ambiente Italia CZ: TSCR + Cityplan Industrievertreter des Fernwärme- und Solarsektors Förderung durch EU (IEE) und BMU Fernwärme für Klimaschutz 10. Tagung vom 20. Januar 2011 in Biel-Bienne 40

41 Project Website:

42 We should leave the oil before it leaves us Nobuo Tanaka, Exekutivdirektor der IEA (Internationale Energieagentur) Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme Meitnerstr. 8 D Stuttgart Fernwärme für Klimaschutz 10. Tagung vom 20. Januar 2011 in Biel-Bienne 42