Regenerative Wärmequellen für Wärmenetze

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1 Regenerative Wärmequellen für Wärmenetze Ernst Huenges (GFZ), Evelyn Sperber (DLR), Jan Eggers (ISE), Florian Noll (IZES), Anna Maria Kallert (IBP), Manfred Reuß (ZAE) Gliederung Ziele im Wärmemarkt und Transformation des Wärmesektors Rolle und Charakteristik von Wärmenetzen Aspekte der Bereitstellung Erneuerbarer Energien in Wärmenetze Biomasse Solarthermie Geothermie Vermarktungsaspekte Schlussfolgerungen

2 Nationale Ziele im Wärmemarkt Ziele der Bundesregierung: Endenergieverbrauch für Wärme (inkl. Prozesswärme) Strom (direkt) zukunftsgerichtete, nachhaltige und kostengünstige Wärmeversorgung Erhöhung des EE-Anteils von 11 % auf 14 % bis 2020 End denergieverb brauch für W ärme [PJ/a] Strom (Wärmepumpe) Heizöl (direkt) Kohle (direkt) Erdgas (direkt) Fern-/Nahwärme (fossil) Industrielle KWK (fossil) tiefe Geothermie (Nahwärme) Umweltwärme (Wärmepumpen) Solarthermie (Nahwärme) Solarthermie (individuell) Biomasse (Nahwärme) Biomasse (individuell) DLR-Leitstudie 2011 Szenario A

3 Transformation des Wärmesektors Ziele der Leitstudie im Wärmesektor bis 2050: Reduktion Endenergieverbrauch um 45% 50% Anteil erneuerbarer Energien Reduktion CO 2 -Emissionen um 75% Kohle und Direktstrom nur noch für industrielle Prozesswärme g [PJ/a] EE-Wä ärmeerzeugun Anteil von Biomasse ist groß, aber ab 2020 konstant Stärkere Vernetzung von Strom- und Wärmemarkt durch Ausbau der KWK Einsatz elektr. Wärmepumpen p Hoher Anteil von Wärmenetzen für KWK (fossil und Biomasse), Tiefengeothermie (eher Fernwärme) und Solare Nahwärme Wasserstoff via KWK tiefe Geothermie (Nahwärme) Umweltwärme (Wärmepumpen) 400 Solarthermie (Nahwärme) Solarthermie e (individuell) due 200 Biomasse (Nahwärme) Biomasse (individuell) DLR-Leitstudie 2011 Szenario A

4 Rolle und Charakteristik von Wärmenetzen Nahwärmenetze (auch ohne Übergabestationen) Fernwärmenetze Anteil Fernwärme an Wärmebereitstellung in Deutschland (12 %) gegenüber ~ 50 % in Dänemark! Quelle: PlanEnergi, Oktober 2013 Solar District Heating 2011, 27.

5 Rolle und Charakteristik von Wärmenetzen Nahwärmenetze (auch ohne Übergabestationen) Fernwärmenetze Anteil Fernwärme an Wärmebereitstellung in Deutschland (12 %) gegenüber ~ 50 % in Dänemark! Davon in D Anteil Erneuerbare Energien (6 %) Fachforum: Fernwärme mit erneuerbaren Energien 2012 Wärmequellen können größer und kostengünstiger gebaut sowie effizienter betrieben werden Integration von großen Speichern möglich Wärmenetz heute direkt nutzbar (Brennstoffflexibilität) Systemoffenheit für Quellen mit hoher Temperatur (niedrigere Temperaturen erfordern Umbau der Übergabestationen)

6 1. Generation Dampf-Systeme 1880~1930er Entwicklung der Fernwärme 2. Generation Hochtemperatur-FW T Netz,VL >100 C er Jahre 3. Generation Mitteltemperatur-FW 80 C >T Netz,VL > 100 C 1970er Jahre bis heute 4. Generation Niedertemperatur-FW T Netz,VL < 55 C künftige Energiesysteme Energie- Effizienz Ener gieverbrauc ch in Gebäuden Institut Wohnen und Umwelt GmbH (IWU) Zeit Svendsen S., Li H.; DTU Denmark; 4th working phase meeting DHC Annex TS1; KTH Stockholm (Sweden); September 2014

7 Solarer Nutzwärmeertrag in Abhängigkeit g von den Betriebstemperaturen des Wärmenetzes Sol. Nutzwä ärmeertrag [kw Wh/m²,a] Solarer Nutzwärmeertrag für unterschiedliche Netzauslegungstemperaturen VL/RL Winter (VL/RL Sommer) /40 (70/50) /60 (75/55) /70 (90/70) 25% 20% 15% 10% Sol. Nutzwärmeertrag FK Sol. Nutzwärmeertrag VRK Sol. Deckungsanteil 5% 0% kungsanteil Sol. Dec TRNSYS 17 Simulation, Strahlungsdaten Würzburg 2012 (GHI kwh(m²a)) Kollektorfläche: m², Kollektorneigung: 40, Azimut: 0 Flachkollektor (FK): η 0 =0,82, α 1 =3,0 W/(m²K), α 2 =0,02 W/(m²K²) Vakuumröhrenkollektor (VRK): η 0 =0,7, α 1 =0,8 W/(m²K), α 2 =0,004 W/(m²K²) 2 Sol. Nutzwärmeertrag: Kollektorertrag abzüglich Speicher- und Solarnetzverlusten Zum Vergleich: Brutto-Jahresbrennstoffertrag von Biomasse ca. 2 6 kwh/m² (Quelle: FNR Basisdaten Bioenergie 2013) Netz-Vorlauftemperatur im Sommer möglichst 75 C, für VRK können auch höhere Vorlauftemperaturen akzeptiert werden Netz-Rücklauftemperatur so niedrig wie möglich!

8 Rolle und Charakteristik von Wärmenetzen Nahwärmenetze (auch ohne Übergabestationen) Fernwärmenetze Anteil Fernwärme an Wärmebereitstellung in Deutschland (12 %) gegenüber ~ 50 % in Dänemark! Davon in D Anteil Erneuerbare Energien (6 %) Fachforum: Fernwärme mit erneuerbaren Energien 2012 Wärmequellen können größer und kostengünstiger gebaut sowie effizienter betrieben werden Integration von großen Speichern möglich Wärmenetz heute direkt nutzbar (Brennstoffflexibilität) Systemoffenheit für Quellen mit hoher Temperatur (niedrigere Temperaturen erfordern Umbau der Übergabestationen) 66 % der EE-Potenziale nur leitungsgebunden erschließbar (auch in kleineren Gemeinden ohne Gasnetz) Mögliche Energieträger: Holz (Pellets, Hackschnitzel, Stückholz) Biogas Erdgas / Heizöl Solarthermie Geothermie Abwärme Brückentechnologie Zukunftstechnologie?

9 Vorteile erneuerbar gespeister Wärmenetze Allgemein geringer CO 2 -Faktor Unabhängigkeit von Rohstoffimporten / internationalen Konflikten hohe Preisstabilität im Vergleich zu fossilen Brennstoffen Regionale 25 Wertschöpfung Tiefe Geoth. 8 8 Frick et al Klimarelevanz fossiler und erneuerbarer Wärme

10 Niedertemperatur-Fernwärme als Schlüsseltechnologie Umstellung der Versorgung auf zu 100 % aus regenerativen Energiequellen bezogener Wärme Effiziente Integration erneuerbarer Energien und Abwärme in unsere Energiesysteme Technologische Aspekte der Niedertemperatur-Fernwärmeversorgung auf Basis regenerativer Energiequellen oder Abwärme Wohngebäude Fossile Wärme- quelle Erneuerbare Wärmequellen Kommerzielle Gebäude Identifikation innovativer Ansätze auf Basis von Niedertemperaturquellen Betrachtung von Fallbeispielen Case Studies sowie Entwicklung und Verbesserung von Planungswerkzeugen sowie Technologieansätzen Abwärmequelle

11 Umsetzungsbeispiele: Niedertemperaturfernwärme Kassel Niedertemperatur-FW mit erdgebundenen WP (ggf. +Solar) Dezentrale TWW-Bereitung Lösungen für neue Wohngebiete Ausarbeitung neuer Geschäftsmodelle München: Solare Nahwärme Ackermannbogen Niedrige Rücklauftemperatur verbessert den Solarertrag und die Nutzung des Speichers erheblich Rücklauftemperatur Auslegungswert 30 C wurde erreicht Konzept des Nahwärmenetzes mit direkter Versorgung hat sich bewährt Dezentrale BWW-Bereitung mit Frischwasserstationen

12 Solarthermie + KWK: Demo Freiburg-Gutleutmatten Randbedingungen Innerstädtische, I h verdichtete t Strukturen Flächenkonkurrenz zur PV Solarthermie in Verbindung mit Wärmenetzen wirtschaftlich, wenn große Flächen preiswert verfügbar (Dänemark) Wettbewerb mit KWK-Ausbau, aber: BHKW-Betrieb im Sommer zunehmend unwirtschaftlich wg. hoher PV-Anteile Lösungsansatz Gebäudeweise Versorgung + dezentr. Speicher + Kopplung mit BHKW Wärmenetz im Sommer 3 Monate abgeschaltet Betriebsoptimierung Netzabschaltung im Sommer BHKW

13 Verfügbare geothermische Systeme Flache Geothermie Aquiferspeicherung Mitteltiefe Geothermie Tiefe Geothermie (0-10 C) 2 bis 4 ~50 m Bohrungen kw th (20-40 C) m Bohrungen 1-10 GWh th /Jahr (20-40 C) m Bohrungen 200 kw th (60 - > 120 C) m Bohrungen 2-20 MW th th th th th

14

15 Geothermisch gespeiste Heiznetze Mitteleuropa 1000 m; T>50 C 2000 m; T>90 C heating/

16 Heiznetze in Mitteleuropa heating/

17 Verfügbare geothermische Systeme Flache Geothermie Aquiferspeicherung Mitteltiefe Geothermie Tiefe Geothermie (0-10 C) 2 bis 4 ~50 m Bohrungen kw th (20-40 C) m Bohrungen 1-10 GWh th /Jahr (20-40 C) m Bohrungen 200 kw th (60 - > 120 C) m Bohrungen 2-20 MW th th th th th 1 kwh elektr. pumpt 3-4 kwh therm Saisonal Speicherung Wärme/Kälte (70-90% rec) 1 kwh elektr. pumpt 5-7 kwh therm 1 kwh elektr. pumpt kwh therm ~150 CO 2äqu /kwh th ~1-10 Mt CO 2äqu /Jahr ~ 60 CO 2äqu /kwh th ~ 25 CO 2äqu /kwh th deutscher Strommix

18 Marktchancen für EE-Nahwärme durch EE im Strommarkt Bei hohem Aufkommen von Wind und PV im Strommarkt sinken die Börsenstrompreise In diesen Phasen ist der Betrieb der KWK- Anlagen oftmals nicht wirtschaftlich EE-Wärmequellen (z.b. Solarthermie) können die fehlende KWK-Abwärme im Wärmenetz ersetzen ng [MWh] E-Stromerzeugu FE Wind + PV Stromerzeugung Spotmarktpreis [ /MWh] Spotmarktpreis [ Betrieb bei hohen Börsenstrompreisen Betrieb bei niedrigen Börsenstrompreisen Wärmespeicher sind notwendig, um Produktion auch bei geringem Wärmebedarf zu gewährleisten

19 Direktvermarktung EE-Nahwärme/ EE-Strom

20 KomMod Werkzeug für kommunale Energiesysteme Ziel: (Kosten-)Optimale Energieversorgung einer Kommune mit einem möglichst hohen Anteil erneuerbarer Energien Technoökonomisches Energie- systemmodell für Strom, Wärme, Gas und (lokale) Mobilität Simultane Optimierung von Struktur & Betrieb Zeitlich & räumlich hochaufgelöst Abbildung von Zusammenspiel und Wechselwirkungen der Technologien Kopplung von zentralen und dezentralen Anlagen mit Wärmenetzen Fundierte Entscheidungsempfehlungen sowie Priorisierung von Maßnahmen Auswirkungen von Entwicklungspfaden Überprüfung von Klimazielen & Maßnahmen

21 Schlussfolgerungen g Wärmeziele noch sehr bescheiden Transformation zum erneuerbaren Wärmemarkt erfordert Heiznetzausbau Phase: Nutzung Brennstoffflexibilität Biomasse + Wärmepumpensysteme p Phase: Senkung der Heiznetztemperatur Solarthermie und Geothermie Flächenbedarf für Solarthermie Konkurrenz zu Photovoltaik Effizienzsteigerung ohne Übergabestationen (Nahwärmenetze) Potenziale für regenerativ gespeiste Wärmenetze (Wärmepumpen, Solarthermie) Stärkere Vernetzung von Strom- und Wärmemarkt Potenzial für Direktvermarktung Potenzial für Entkopplung von Stromangebot und -nachfrage

22 Recht herzlichen Dank für die Aufmerksamkeit