Potentiale und Herausforderungen für Wärmepumpen im Bereich der Fernwärme Salzburger Qualitätsnetzwerk Wärmepumpe Herbsttagung

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1 Potentiale und Herausforderungen für Wärmepumpen im Bereich der Fernwärme Salzburger Qualitätsnetzwerk Wärmepumpe Herbsttagung Ralf-Roman Schmidt

2 Agenda Kurzvorstellung AIT FW in Österreich und Internationaler Vergleich, Exkurs Schweden Potentiale für Wärmepumpen im Bereich der Fernwärme und technische Randbedingungen Praxisbeispiele und Herausforderungen 2

3 AIT Austrian Institute of Technology Das größte außeruniversitäre Forschungsinstitut Österreichs Finanzierung 30% Auftragsforschung 30% kofinanzierte Forschung Research and Technology Organisation Industrie 40% Bundesmittel RTO Wissenschaft Politik Eigentümerstruktur 50.46% Republik Österreich 49.54% Industriellenvereinigung Österreich AIT forscht in den Infrastrukturthemen Energy Mobility Digital Safety & Security Health & Environment Innovation Systems MitarbeiterInnen 1.261

4 Funktionsprinzip Fernwärme Wärme -quelle Pumpe Vorlaufleitung Rücklaufleitung Verbraucher Die Fernwämeverteilung erfolgt mittels einer Vorlaufleitung, die den Kunden mit Heizwasser versorgt und einer Rücklaufleitung die das abgekühlte Wasser wieder zum Wärmeerzeuger zurückführt, wo es erneut erwärmt wird. Pumpen sorgen für die Wärmeverteilung im Netz. 4

5 Fernwärme- und Fernkälte in Österreich Status-Quo Fernkältenetz Mit über Wärmenetzen und einen Anteil an 24% der Wärmeversorgung sind Nah- und Fernwärmenetze ein wesentlicher Bestrandteil des Österreichischen Energiesystems. Fernkälte spielt bislang eine untergeordnete Rolle

6 Fernwärme im internationalen Vergleich Städte mit Fernwärmenetze in der EU27 nach Anzahl der Einwohner (nur Städte mit >5000 Einwohner sind dargestellt). Es sind 2188 Städte mit 2445 FW Netzen gezeigt Quelle: Heatroadmap Europe, Halmstad & Aalborg Universities

7 Fernwärme im internationalen Vergleich Niedertemperatur-Bereich Lettland (LV) Litauen (LT) Dänemark (DK) Estland (EE) Finnland (FI) Schweden (SE) Polen (PL) Tschechien (CZ) Slowakei (SK) Österreich (AT) Rumänien (RO) Bulgarien (BG) Ungarn (HU) Slowenien (SI) Deutschland (DE) Kroatien (HR) Frankreich (FR) Niederlande (NL) Italien (IT) Schweiz (CH) Norwegen (NO) FERNWÄRME IN ÖSTERREICH, ZAHLENSPIEGEL 2015, FGW Fachverband der Gas - und Wärmeversorgungsunternehmungen/ Statistik Austria

8 Exkurs: Schweden, Einsatz von Wärmepumpen in der Fernwärme Seit 90 ern stärkeres Wachstum von Bedarf gegenüber Erzeugung Steigende Strompreise Sinkender Einsatz von WP 2011 wurden ca. 10% der Fernwärme aus Wärmepumpen geliefert Annual proportion of heat supplied from electric boilers and heat pumps, into district heating systems in Sweden Q: [Werner S. at.al. : ON THE USE OF SURPLUS ELECTRICITY IN DISTRICT HEATING SYSTEMS, 2014]

9 Exkurs: Schweden, Einsatz von Wärmepumpen in der Fernwärme mittlerer jährlicher COP der WP in Schwedischen FW Netzen Verteilung der installierten Kapazität auf die genutzten Quellen Q: [Werner S. at.al. : ON THE USE OF SURPLUS ELECTRICITY IN DISTRICT HEATING SYSTEMS, 2014] Gesamtkapazität: 1330 MW 9

10 Exkurs: Schweden, Temperaturniveaus in der Fernwärme Current and future temperature levels in district heating systems, Sven Werner, Halmstad University,

11 Exkurs: Schweden, Temperaturniveaus in der Fernwärme Schweden Dänemark Jährlicher Mittelwert der Vorlauftemperatur Jährlicher Mittelwert der Rücklauftemperatur Durschnitt Schlechtestes Netz Bestes Netz Durschnitt Schlechtestes Netz Bestes Netz Current and future temperature levels in district heating systems, Sven Werner, Halmstad University,

12 Exkurs: Schweden, Beispiele Großwärmepumpe Stockholm Firma: Friotherm AG, 8 x Unitop Heat Pumps KM: R134a Verdichter: Radialverdichter, 2 stufig Ort: Stockholm WQ: Meerwasser Heizleisung: 30 MW El. Leistung: 8 MW Quelle: Friotherm, Internetauftritt, 2015

13 Exkurs: Schweden, Beispiele Malmö Wärmequelle: Rauchgaskondensation der Abfallverbrennungs-KWK Anlage 2 Wärmepumpen, je 9,5 MWth Verdampfereintrittstemp. 34,2 C Verdampferaustrittstemp. 24,3 C. Verdampfer-Massenstrom 1350 m³/h, Kondensator-Massenstrom 1800 m³/h Aufheizen des Wärmenetzes 50 C 60 bis 70 C Der restliche Temperaturhub auf die benötigte Netzvorlauftemperatur erfolgt durch die KWK-Anlage Bailer, P., Pietrucha, U., 2006, District heating and district cooling with large centrifugal chiller-heat pumps 10th International Symposium on District Haeting and Cooling, s.l. 13

14 Fernwärme- und Fernkälte in Österreich Status-Quo Quelle: Statistik Austria, eigene Darstellung Quelle: Zahlenspiegel Fernwärme

15 Vergleich großer städtischer Wärmenetze OPTIMIERUNG UND AUSBAUMÖGLICHKEITEN VON FERNWÄRMESYSTEMEN; Siegmund Böhmer, Michael Gössl, REPORT REP-0074, Umweltbundesamt GmbH, Wien,

16 Vergleich großer städtischer Wärmenetze 16

17 Vergleich großer städtischer Wärmenetze: Temperaturniveaus Schlechtestes Netz Schweden Bestes Netz Schweden Quelle: OPTIMIERUNG UND AUSBAUMÖGLICHKEITEN VON FERNWÄRMESYSTEMEN; Siegmund Böhmer, Michael Gössl, REPORT REP-0074, Umweltbundesamt GmbH, Wien, 2009 und andere Quellen 17

18 Fernwärme- und Fernkälte in Österreich: Wesentliche Herausforderungen unsichere Preisentwicklung fossiler Energieträger und steigende Nutzungskonkurrenz biogener Brennstoffe enge Verknüpfung mit dem europäischem Strommarkt und ein derzeit noch dominierender Anteil von KWK Anlagen Sinkender spezifischer Wärmebedarf im Bestand und im Neubau und die geringe Effizienz vieler Kundenanlagen (hohe Rücklauftemperaturen) Konkurrenz zu anderen Energieträgern (insbes. Gas)

19 Potentiale für Wärmepumpen im Bereich der Fernwärme Seit 2010 wieder sinkende Stromerlöse und steigender Bedarf an Alternativen zur KWK in Österreich und Deutschland [Holter C.: Solarwärme neu gedacht Fernwärme für Europas Städte, Erneuerbare Energie, Magazin, ) Deckungsbeiträge für Gaskraftkwerke (Deckungsbeitrag = Terminpreis Grenzkosten) 19

20 Potentiale für Wärmepumpen im Bereich der Fernwärme Erhöhung des erneuerbaren Energieanteils durch Umweltwärme Nutzbarmachung von industriellen Abwärmequellen auf niedrigem Temperaturniveau Erhöhung der Aufnahmekapazität des Stromnetzes für erneuerbare Energieträger und Steigerung der Zuverlässigkeit/ Spannungsqualität Erhöhung von Transportkapazitäten (Reduktion Investmentkosten)

21 Wärmequellen für den Einsatz in der Fernwärme Externe Wärmequellen Einspeisung von Umweltwärme Temperaturanhebung industrieller Abwärme Lebensmittelproduzenten Rechenzentren Trocknungsprozesse Gießereien Wäschereien etc. Abwärme aus Infrastruktur Abwasserkanäle Tunnelsysteme

22 Berücksichtigung der Effizienz bei der Auswahl der Wärmequelle Umweltwärme Abwärme Verhältnis Strom-/ Wärmepreis = 20ct / 8ct = 2,5 JAZ >> 2,5 Empfehlungen: 1. Niedrige Netztemperaturen und/oder hohe WQ-Temperaturen 2. JAZ > 3,5 4,0 Leistungszahl einer R134a Anlage (einstufig) in Abhängigkeit der Verdampfungs- und Kondensationstemperatur Quelle: Schmidt R-R, et.al: D2.2 Einspeiseprofile, NextGenerationHeat, AIT, 2014

23 Wärmequellen für den Einsatz in der Fernwärme Wärmequelle Fernwärme Temperaturanhebung beim Verbraucher (Warmwasserbereitung) z.b. Danfoss Mikro-Booster WP Anergienetze Zur Erhöhung von Transportkapazitäten (Reduktion Investmentkosten) Zur tieferen Entladung von Speichern (z.b. Solarthermie)

24 Hydraulische Einbindung Parallel Vorlaufeinspeisung Rücklaufabsenkung Seriell Vorlaufanhebung/-Absenkung Rücklaufanhebung/-Absenkung

25 Einspeisung von Niedertemperatur-Quellen a) b) Vorlaufeinspeisung a) parallel b) seriell Rücklaufanhebung Quelle: Schöfmann P.: Integration von Wärmepumpen in Wärmenetze, Masterarbeit 2015, AIT 25

26 Einspeisung von Mitteltemperatur-Quellen Rücklauftemperaturabsenkung, Serielle Verschaltung Quelle: Schöfmann P.: Integration von Wärmepumpen in Wärmenetze, Masterarbeit 2015, AIT 26

27 Einspeisung von Mitteltemperatur-Quellen Rücklauftemperaturabsenkung, Erhöhung der Effizienz Solarthermie Parallele Verschaltung Schaltungsvariante, Quelle: TU Dresden

28 Erhöhung von Transportkapazitäten Lokale Anhebung der Netztemperatur (booster) Quelle: Schöfmann P.: Integration von Wärmepumpen in Wärmenetze, Masterarbeit 2015, AIT 28

29 Erhöhung von Transportkapazitäten: Versorgung eines Sekundärnetzes Lokale Anhebung der Netztemperatur (booster) Quelle: Schöfmann P.: Integration von Wärmepumpen in Wärmenetze, Masterarbeit 2015, AIT 29

30 Potentiale Flusswassergespeister WP in Österreich Simulationsstudie AIT, Rahmenbedingungen 3 Städte T Vorlauf Kraftwerk (Backup) Fernwärmenetz Wärmebedarf 3 Flüsse Wärmepumpe Wassertemperatur Volumenstrom T kond? T? Teilstrom? Kondensationstemperatur C Teilstrom: 5 25 % Abkühlung des Teilstroms: 2 6 K

31 Potentiale Flusswassergespeister WP in Österreich Simulationsstudie AIT, Temperatur Quelle Volumenstrom A 1800 m³/s B 180 m³/s C 105 m³/s icing icing Zukunftsszenario 31

32 Potentiale Flusswassergespeister WP in Österreich Simulationsstudie AIT, Wärmebedarf Fernwärmenetze T max A = 129 C B = 123 C C = 116 C

33 Potentiale Flusswassergespeister WP in Österreich Simulationsstudie AIT, Ergebnisse Grundlast-Szenarien mit T kond = 65 C weisen die höchste Jahresarbeitszahl auf und sind marktverfügbar. Wärmepumpen können einen signifikanten Beitrag zu CO 2 Reduktion in Fernwärmenetzen leisten. T kond = 105 C reicht aus, um die größte CO 2 Emissionseinsparung zu erzielen Strom/Gaspreisverhältnis hat einen wesentlichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit. Flüsse sind auch in alpinen Regionen als Wärmequelle für Wärmepumpen geeignet Mögliche Vereisung am Verdampfer erfordert innovative Maßnahmen und neue Regelkonzepte

34 Best Practices 34

35 Beispiele Großwärmepumpen: Aschach Firma: ABB Stal-Astra Refrigeration KM: R134a Verdichter: Schraube Ort: Aschach Hartenkirchen, Graz WQ: Abwärme von 4 Generatoren des Donaukraftwerkes Heizleisung. 950 kw Quelle: Focke H.: Optimierung der Wärmepumpe im Fernwärmesystem Aschach-Hartkirchen, Diplomarbeit, TU Graz, 2002

36 Beispiele Großwärmepumpen: OCHSNER Amstetten Firma: Ochsner KM: R134a Verdichter: Schraube Ort: Amstetten WQ: Abwasser Heizleisung: 228kW El. Leistung: 43kW Quelle: Internet-Abruf 36

37 Beispiel Großwärmepumpen Drammen, Norwegen Wärmequelle: Meerwasser (40 m Tiefe ganzjährig gleichbleibende Temp. 8-9 C) Abkühlung Medium durch den Verdampfer auf 4 C Zurückleitung in 200 m Entfernung zur Entnahmestelle (Vermeidung thermischer Kurzschluss). Drei Wärmepumpen (Kältemittel Ammoniak), je 4,5 MWth (Grundlastdeckung) Mittel- und Spitzenlastabdeckung 8 MW Biomassekessel + 2 * 30 MW Gaskessel Hoffmann, K., Pearson, D., 2011, Ammonia Heat Pumps fpr District Heating in Norway - a case study The Institute of Refrigeration, London 37

38 Beispiel Großwärmepumpen Sandvika, Norwegen Wärmequelle: städtisches Abwasser (10 C), Wiedereinleitung nach Abkühlung im Verdampfer mit 6 C Betrieb seit 1989 zwei Wärmepumpen je 6,5 MWth (80 % der Maximallast) 1993: Austausch des Kältemittels R500 R134a (Aufgrund EU Verordnung über Stoffe die zum Abbau der Ozonschicht führen) Der Wärmeträger des Wärmenetzes wird durch die Wärmepumpe von 57 C auf 78 C aufgeheizt. Zur Spitzenlastabdeckung werden drei Ölkessel herangezogen 38

39 Beispiel Großwärmepumpen Créteil, Frankreich Wärmequelle: Thermalwasser Nutzung durch die hohen Rücklauftemperaturen (bis 60 C) begrenzt. Absenkung des Netzrücklaufs von 55 C durch den Einsatz einer Wärmepumpe auf 37,5 C Wojtan, L., Burkhalter, F., 2014, Challenges and recent developments in applications with large scale heat pumps 11th IEA Heat Pump Conference, Montreal 39

40 Beispiel Großwärmepumpen und Solare Fernwärme: Denmark - Marstal District heating Solar collectors Storage High electricity price: run CHP, sell electricity and heat (winter) /store heat (summer) liberal electricity market HP Energy flow diagram CHP Load m2 solar collectors m3 pit heat storage 1 MW (cooling) compressor heat pump 4 MW wood chip boiler 0.75 MW ORC Marstal District Heating 100% Renewable District Energy System with Storage, Per Alex Sørensen, PlanEnergi Nordjylland, Linking Heat and Electricity Systems Webinar (5 June 2014) Low electricity price: run heat pump (winter) or/ and use solar collectors (summer)

41 Beispiel Großwärmepumpen und Solare Fernwärme: Denmark - Marstal District heating Battisti, R.: Latest and future developments in solar district heating, 2012 Conference on Renewable Heating and Cooling, Copenhagen, April 2012

42 Optimale Energieeffizienz: Kombination Heizen und Kühlen Flughafen OSLO, GARDERMOEN HEAT PUMP FOR DISTRICT COOLING AND HEATING AT OSLO AIRPORT, GARDERMOEN, Geir Eggen and Geir Vangsnes

43 Beispiel dezentrale Nacherhitzung: Kalte Fernwärme im Resort Walensee Firma: Planung durch EKZ Ort: Resort Walensee WQ: Grundwasser Heizleisung: 1,4 MW Quelle: EKZ-Referat: Kalte Fernwärme in Tourismusregion,

44 Beispiel dezentrale Nacherhitzung: Kalte Fernwärme im Resort Walensee 44 Quelle: EKZ-Referat: Kalte Fernwärme in Tourismusregion, 2009

45 Beispiel dezentrale Nacherhitzung: Warmwasserbereitung im Anergienetz (4th Generation DH) Firma: Danfoss (Microbooster) KM: R600a Firma: Ecoon KM: R134a

46 Beispiel: Microbooster WP von Danfoss E.Zvingilaite, T.Ommen, B. Elmegaard and M.L.Franck, LOW TEMPERATURE DISTRICT HEATING CONSUMER UNIT WITH MICRO HEAT PUMP FOR DOMESTIC HOT WATER PREPARATION, DHC13, the 13th International Symposium on District Heating and Cooling, September 3rd to September 4th, 2012, Copenhagen, Denmark 46

47 Zusammenfassung der Herausforderungen für Wärmepumpen im Bereich der Fernwärme Potentiale möglicher Quellen im Urbanen Raum reichen oftmals nur für kleine Deckungsgrade, oftmals sind Potentiale noch unbekannt, Quellentemperaturen bei den Bedarfsspitzen im Winter eher niedrig Die Senkung der Netztemperaturen als wesentliche Randbedingung für eine wirtschaftliche Integration der WP ist nur in Zusammenarbeit mit dem Netzbetreiber bzw. den versorgten Kunden möglich. Spezielle Anforderungen an Regelbarkeit und hydraulische Integration im Fernwärmenetz, Anpassung an individuelle Randbedingungen notwendig Oftmals Groß- bzw. Einzelanlagen, weniger Standardisierung Bestehende Geschäfts- und Finanzierungsmodelle sind für die Integration dezentraler WP in Wärmenetzen oftmals ungeeignet

48 Wärmepumpen in Österreich: Forschungs-, Technologieund Marktentwicklung bis 2030 Österreichische Technologieroadmap für die Wärmepumpe. Fachleute aus der nationalen Wärmepumpenindustrie, aus Energieversorgungs- und Zulieferunternehmen, mit potentiellen Anwendern aus Industrie und Gewerbe, Industrieanlagenplanern und bauern, Vertretern von Universitäten und Forschungseinrichtungen sowie Repräsentanten aus dem öffentlichen Sektor Identifikation und Diskussion der zukünftigen Anwendungsfelder und - potentiale der Wärmepumpentechnologien bis 2030 ORT: AIT, Giefinggasse 2, 1210 Wien, Raum W301 ZEIT: , :00 Uhr

49 AIT Austrian Institute of Technology your ingenious partner Dr.-Ing. Ralf-Roman Schmidt T +43(0) M +43(0) Ralf-Roman.Schmidt@ait.ac.at