Wärmenetze mit Solarthermie und Biomasse = 100 % regenerative Wärmeversorgung

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1 Wärmenetze mit Solarthermie und Biomasse = 100 % regenerative Wärmeversorgung Dr. (ITW) Solar- und Wärmetechnik Stuttgart (SWT) Universität Stuttgart Pfaffenwaldring 6, Stuttgart drueck@itw.uni-stuttgart.de Internet: \HOK_Sol+Bio_HD1.PPT

2 Das größte Prüfzentrum und das größte universitäre Forschungszentrum TZS für thermische Solartechnik in Europa 2 2

3 Was Sie die nächsten 20 min erwartet Vorstellung TZS Motivation warum Wärmeversorgung mit EE Solare Nahwärme und saisonale Wärmespeicherung Wärmeversorgung mit Biomasse (Holz und Biogas) Kombination von Solarthermie und Biomasse Zusammenfassung Handlungsempfehlungen und Ausblick 3 3

4 Erneuerbare Energien Warum? Begrenzung Klimawandel ( 2 C Ziel ) Reduktion Luftverschmutzung Begrenzte Verfügbarkeit fossiler Energieträger Ökonomie (z.b. lokale Wertschöpfung). 4 4

5 Wärme bzw. Wärmenetze? Warum? 5 5

6 Energiebedarf in Deutschland 6 6

7 Welche erneuerbaren Energiequellen stehen zur Verfügung? Sonne Biomasse bzw. Biogas Umgebungsluft Oberflächennahe Geothermie Wärmepumpe Tiefen-Geothermie Wind 7 7

8 Einstrahlungssummen für Deutschland 8 8

9 Technologische Trends Wie sieht die Technik aus? 9 9

10 Solare Wärmeversorgung von Wohnsiedlungen mit saisonaler Wärmespeicherung 10 10

11 Technische Motivation für große Solaranlagen Geringere spezifische Investitionskosten durch große Abnahmemengen, z.b. Sonnenkollektoren bessere Wirtschaftlichkeit Höhere energetische Effizienz als kleine Anlagen Qualitativ hochwertige, langlebige Anlagentechnik Sehr hohe solare Deckungsanteile kostengünstig möglich Attratktivität 11 11

12 Die Herausforderung: Unser Klima Saisonaler Zeitversatz von Solarenergieangebot und Wärmebedarf Energie pro Monat Wärmebedarf direkt nutzbare Wärme verfügbare Solarwärme zu speichernde Wärme ~60% Jan Mrz Mai Jul Sept Nov 12 12

13 Saisonale Wärmespeicher bleibt 20 min warm bleibt 5 min warm bleibt sehr lange warm bleibt sehr sehr lange warm 10 m Sehr große Speicher: geringes Oberflächen-zu-Volumen- Verhältnis geringe volumenspezifische Wärmeverluste geringe volumenspezifische Kosten 13 13

14 Große Solaranlagen mit saisonalem Wärmespeicher Gebäudekomplexe oder kleine Siedlungen werden zu einem Nahwärmenetz zusammengeschlossen; große, zentrale Kollektorfelder und häufig saisonale Wärmespeicherung solarunterstützte Nahwärmeversorgung (SuN) 14 14

15 Solare Nahwärme in Crailsheim (Hohenlohe) 1. Anlagenteil Sporthalle Solarnetz Wohngebäude Pufferspeicher 100 m³ Wärmeverteilnetz Gymnasium Wohngebiet 2. Anlagenteil Wallzentrale mit Wärmepumpe Pufferspeicher 480 m³ Erdsonden- Wärmespeicher Kollektoren auf dem Lärmschutzwall 15 15

16 Solare Nahwärme in Crailsheim - Anlagenschema m² / 1,75 MW th Sonnenkollektoren auf Gebäuden Wärmeverteilung Nachheizung Fernwärme m² / 3,5 MW th Sonnenkollektoren auf Lärmschutzwall Wärmepumpe Warmwasserspeicher (Kurzzeitspeicher) Erdsondenwärmespeicher (saisonal) 16 16

17 Solare Nahwärme in Crailsheim Bestandsgebäude (saniert) Sporthalle Schule Neubaugebiet saisonaler Erdsonden-Wärmespeicher Solarkollektoren auf Lärmschutzwall Überwiegend Neubau, aber Integration von fünf ehemaligen Kasernengebäuden 17 17

18 Solare Nahwärme in Crailsheim Sanierung der Kasernengebäude Nr. 3 5 im Jahr 2008 Sanierung der ersten beiden Kasernengebäude im Jahr 2005 Abriss des alten Dachs und Aufsetzen eines neuen, stärker geneigten Dachs 18 18

19 Solare Nahwärme in Crailsheim In vollständig fertig gestelltem Zustand

20 Sonnenkollektoren auf Gebäuden in Crailsheim, m 2 bzw. 1,75 MW th 20 20

21 Sonnenkollektoren auf Lärmschutzwall in Crailsheim m 2 bzw. 3,5 MW th 21 21

22 Energiebilanz der solaren Nahwärmeanlage Crailsheim

23 Die aktuelle Herausforderung Wärmebedarf deutlich größer als ursprünglich geplant dadurch sinkt der solare Deckungsanteil 23 23

24 24 Wärmemenge in MWh Die Lösung: Erweiterung der Solaranlage Wärmebedarf Kollektorertrag solare Nutzwärme gesamt solare Nutzwärme HWII solarer Deckungsanteil Ergebnisse Simulationsstudie (innerhalb Projekt CROW ) Mess- (Messdaten) (Wärme- auf Wall Erw. EWS WP EWS +RL40 + Ost und WWS + NRL40 WWS + WWS (1) Ref. (2) VFK Kol (3) Kol1 Kol1 + (4) + Kol1 EWS + (5) + Wall Kol2 (6) + Kol2 WWS(7) Kol2 Kol2 (8) + Kol2 WWS (9) + Kol bedarf Ost (EWS) + WP + Ost 2 mit m³ + WP + RL40 + WP (Kol1) Weitere Netzrücklauftemp. VFK Warm- RL40 MWh) Wärmepumpe (Kol2) + wasser- bei 40 C EWS + speicher (WP) (RL40) WP+RL4 (WWS) solarer Deckungsanteil in %

25 Fazit: Solare Nahwärmeversorgung mit saisonaler Wärmespeicherung Die Technologie der solaren Nahwärme mit saisonaler Wärmespeicherung ist seit Jahrzehnten etabliert Technologie entwickelt sich kontinuierlich weiter Deutschland ist globaler Technologieführer solare Deckungsanteile > 50 % möglich Saisonaler Wärmespeicher ist relativ kostenintensiv multifunktionale Nutzung reduziert spezifische Kosten Kombination mit anderen Energieträgern reduziert Kosten (da saisonale Wärmespeicherung entfallen kann) 25 25

26 Wärmeversorgung von Wohnsiedlungen mit Biomasse (Holz + Biogas) Quelle:

27 Wärmeversorgung mit Biomasse (Biogas+Holz) Beispiel: Kleinaspach Wärmelast: 1. BA ca MWh/a 2. BA ca MWh/a (derzeit im Bau) BA: Bauabschnitt Quelle: 27 27

28 Biogasanlage Kleinaspach Biogas BHKW: Wärmeleistung: ca kw deckt ca. 35 % des Wärmebedarfs Quelle: 28 28

29 Holzheizzentrale Kleinaspach Holzkessel (Hackschnitzel): Wärmeleistung: ca. 800 kw Biogas deckt ca. BHKW: 55 % des Wärmebedarfs Wärmelesistung: ca kw Spitzenlastkessel deckt ca. 35 % des Wärmebedarfs (Heizöl): 1000 kw Quelle: 29 29

30 Pufferspeicher Kleinaspach Volumen: 150 m³ Quelle: 30 30

31 Wärmeversorgung mit Biomasse (Biogas+Holz) Beispiel: Hemmingen Quelle: 31 31

32 Wärmeversorgung mit Biomasse (Biogas+Holz) Versorgungsgebiete und Leitungsführung Hemmingen Quelle: 32 32

33 Holzheizzentrale Hemmingen Holzkessel 1 (Hackschnitzel): kw Holzkessel 2 (Pelltes): kw Quelle: 33 33

34 Holzheizzentrale Hemmingen Holzhackschnitzellager Quelle: 34 34

35 (Holz)Heizzentrale Hemmingen Biomethan-BHKW Wärmeleistung: kw Quelle: 35 35

36 Heizzentrale Hemmingen - Pufferspeicher 2 x 200 m³ für BHKW Quelle: 100 m³ für Holzkessel 36 36

37 Solarthermie und Biomasse Quellle:

38 Warum Kombination Solarthermie + Biomasse? Potenzial der Biomasse ist begrenzt Wenn das alle machen würden, hätten alle ein Problem Biomasse verbrennt nicht völlig emissionsfrei Teillastbetrieb von Biomassekesseln wird deutlich reduziert Ökonomisch interessant, da z.b. Wärmespeicher multifunktional genutzt werden können Keine saisonale Speicherung der Solarwärme notwendig

39 Solarthermie + Biomasse Beispiel: Großklein (Österreich) Nahwärmenetz mit 40 Abnehmer, ca Trassenmeter und einem Wärmebedarf von rund MWh/a (Prognose). 350 m² Flachkollektor am Heizhausdach 50 m³ Speicher im Heizhaus Quelle: C. Fink 39 39

40 Messergebnisse (1/2) Großklein Quelle: C. Fink Gemessene solare Deckung (SD) 8 % Bildquelle: AEE INTEC 40 40

41 Messergebnisse (2/2) Großklein Quelle: C. Fink Hohe solare Deckung im Sommer (Juli >70%) Übergangszeit: Biomassekessel und Solarthermie Kernheizperiode: Beide Kessel (700 kw & 2300 kw) Bildquelle: AEE INTEC 41 41

42 Solarthermie + Biomasse Beispiel: Eibiswald (Österreich) Nahwärmenetz mit 4 MW Abnehmerleistung und einem Wärmebedarf von ca MWh/a (gemessen). Überschusswärme für Holztrocknung m² Flachkollektor am Heizhausdach 165 m³ Speicher (105 und 60 m³) Nachheizung über 2 Biomassekessel bzw. einen Ölkessel (Notkessel) Quelle: C. Fink 42 42

43 Messergebnisse (1/2) Eibiswald Quelle: C. Fink Gemessene solare Deckung (Mai 13 - April 14): SD: 12 % Bildquelle: AEE INTEC 43 43

44 Zusammenfassung Weitestgehend regenerative Wärmeversorgung von Quartieren ist bereits heute wirtschaftlich möglich! Vorteile der Kombination von Solarthermie mit Biomasse und großen Wärmespeichern Anlagen sind extrem netzdienlich entlastende und stabilisierende Wirkung auf Stromnetz durch KWK, Wärmepumpen und thermische Speicher Zukünftig: Stärkere Nutzung von Flexibilitätsreserven - Power to heat - Partizipation am Regelenergiemarkt Wärmespeicher dienen als Multifunktionsspeicher 44 44

45 Weiterentwicklung von großen solaren Nahwärmeanlagen mit saisonaler Wärmespeicherung Verbundprojekt futuresun : Analyse, Bewertung und Entwicklung zukunftsfähiger Anlagenkonzepte für solare Nahwärmeanlagen mit saisonaler Wärmespeicherung Partner: Workshop: Zukunftsfähige solare Nahwärmeanlagen mit saisonaler Wärmespeicherung 19. Juni 2018 Garching (bei München) Anmeldung & Infos:

46 Warum bereits heute als Gemeinde, Stadtwerk oder Energieversorger aktiv werden? Politisches Ziel: Klimaneutraler Gebäudebestand bis 2050 Kundenbindung durch langfristigen und ökologisch nachhaltigen Versorgungsauftrag Imagegewinn durch Pilotprojekt Erfahrungsgewinn durch Betrieb neuer Technologie Potential, um weitere Wärmeabnehmer an die Anlage anzuschließen (erweiterbares System) Ökonomische Vorteile

47 Förderung innovativer Wärmenetze Infos: Internet:

48 Die Zukunft Energetisch integrale Gebäude- und Quartierskonzepte thermische Energie + elektrische Energie + elektrische Energie 48 48

49 Die Zukunft Die beste Möglichkeit die Zukunft vorherzusagen ist sie zu gestalten! Tun Sie es!!! gerne gemeinsam mit uns 49 49