Solarthermie in der Städtischen Energieversorgung - Energiewirtschaftliche Analyse und Quartier Freiburg- Gutleutmatten

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1 Solarthermie in der Städtischen Energieversorgung - Energiewirtschaftliche Analyse und Quartier Freiburg- Gutleutmatten Berliner Energietage 2018 Sebastian Herkel Axel Oliva, Mehmet Elci, Alexander Ripka

2 AGENDA Szenarien zur zukünftigen Rolle der Solarthermie Europa Deutschland Konzept der Wärmeversorgung Quartier»Freiburg-Gutleutmatten«Schaltschema und Betriebsweise Smarter Betrieb Wärmenetze Umsetzung und Wirtschaftlichkeit Schlussbemerkungen 2

3 Hintergrund Ambitionierte Ziele für Energiewende -> 80% Minderung CO 2 Ziele Wärmesektor werden nur teilweise erreicht Solarthermie steht vor einem herausfordernden Marktumfeld neue erneuerbare Heizungstechnologien durch Strom aus erneuerbaren (PV+Wärmepumpe) Aufgrund von regulatorischen Randbedingungen häufig in Kombination mit fossilen Kesseln Aber: Wärmepreise von EUR/MWh (große Anlagen in Dänemark, frei Netz) Stand der Technik Energiesystemanalyse mit Fokus auf Solarthermie und Wärmenetze Analyse im internationalen Kontext (IEA Solar Heating & Cooling T52) 3

4 Die Europäische Perspektive IEA SHC Task 52 4 Länder 5 Szenarien 5 Solarthermische Systeme 4 Hansen et al 2017 The Role of Solar thermal in Future Energy Systems Country Cases for Germany, Italy, Austria and Denmark

5 Die Europäische Perspektive IEA SHC Task 52 Individual solar thermal share (%) 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% 4 Länder 5 Szenarien 5 Solarthermische Systeme Heat savings District heating High-RES District heating solar thermal share (%) 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% Hansen et al 2017 The Role of Solar thermal in Future Energy Systems Country Cases for Germany, Italy, Austria and Denmark Dtld: 0% Mio m Heat savings District heating High-RES Germany 35% Austria 35% Italy 35% Denmark 35% Germany 35% Austria 35% Italy 35% Denmark 35% 5

6 Die Europäische Perspektive IEA SHC Task 52 Zentrale Schlussfolgerungen Solarthermie wird auch in Zukunft eine Rolle spielen Das Design des Energiesystems hat Auswirkungen auf die Rolle der Solarthermie: Wieviel Biomasse steht zur Verfügung Das Potential der Solarthermie in den Ländern AT, DE, DK und IT liegt in der Größe von 3-12% der Wärmeerzeugung. Die Solarthermie reduziert den Druck, der durch Potentialbeschränkungen wie z.b. der Biomasse entstehen Solarthermie steht im Wettbewerb mit anderen Erneuerbaren Energien in Szenarien mit ambitionierten CO2-Reduktionszielen Wärmenetze: Hohes Potential aber Konkurrenz zu Abwärmenutzung 6

7 Szenarien Deutschland Kostenoptimale Systeme Energiesystemmodell REMod-D, techno-ökonomisches Modell Transformationspfad 2013 bis 2050 auf Stundenbasis, Modell mit Sektorkopplung 6 Szenarien CO2-60 %, CO2-75 %, CO2-85 %, CO2-90 % (ST: 890 EUR/m² >290 EUR/m² 2050 ) CO2-85 % ST exp. (ST: 1200 EUR/m² >1200 EUR/m² 2050 ) CO2-85 % Bio&Mob : Biomasse Potential 3 x so hoch 75% E-Mobilität (wie in europäischer Studie der Aalborg Universität) 7 Strom Mobilität Wärme Brennstoffe Prozesse (Industrie)

8 Heizungstechnologien Wärme in TWh,

9 Solarthermie Installierte Leistung in GW,

10 Sanierung Anzahl Gebäude,

11 Kosten Heizungstechnologien, Sanierung, Brennstoffe,

12 Fazit Techno-ökonomische Analysen mit REMod-D Solarthermie m Jahr 2050 leicht höhere Anteile als in der AAU-Studie (7% -17% der gelieferten Wärme) Systemkosten entscheidend, aber nicht einziger Treiber (Anteil Solarthermie 10% vs. 12%) Zusammensetzung Gesamtsystem noch wichtiger (Anteil Solarthermie 8% vs 12%) Der relativ hohe Anteil der solarthermischen Fernwärme muss durch detaillierte räumliche Analyse verifiziert werden 12

13 Idee Demonstrator Freiburg-Gutleutmatten Kombination lokaler Solarthermie mit KWK Wettbewerb von ST, Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und PV Platzmangel für Zentr. ST-Kollektor-Arrays und thermische Energiespeicher Wärmeverluste der Fernwärme im Bereich von 30%.. 50% im Sommer Hoher PV-Anteil im Sommer führt zu einem ineffizienten Betrieb von KWK Entwicklung Systemkonzept für ST-Technologie in urbanen Räumen dezentrales ST-Kollektor-Array und Warmwasserspeicher: - Wärmeversorgung über lange Zeiträume im Sommer ermöglichen den stromorientierten Betrieb von KWK Reduzierung der Wärmeverluste des Fernwärmenetzes zentral organisierte, intelligente Steuerungsstrategie 13

14 Freiburg-Gutleutmatten innerstädtische Entwicklung Grundfläche: m² city of Freiburg i.br. Wohneinheiten: 525 (1..42) BGF: m² (3 to 9 Geschosse) Wärmebedarf: MWh/a Vor-/Rücklauftemp..: 75 C / 40 C Netzlänge: m Übergabestationen: 38 (5 kw th 100 kw th ) Solarthermie: m² Solarer Anteil: 30 % (Planung) (~10 % losses DH) (7 m² 145 m²) 14

15 Demonstrationsvorhaben Freiburg-Gutleutmatten Smarte Wärmenetze Problemstellung Wärmebedarf im Sommer sinkt = Effizienz sinkt PV-Strom verdrängt im Sommer KWK-Strom. Stromnetz-Interaktion gewinnt an Bedeutung. Lösungsansatz Dezentrale Solarthermie Integration + + Smart Heat Grid Strom geführte KWK Längere Phasen der autarken Wärmeversorgung im Sommer 15 Netzdienlicher Betrieb der KWK-Anlage (Nutzung der dezentralen Speicher für Speichermanagement) Foto Stadt Freiburg

16 Demonstrationsvorhaben Freiburg-Gutleutmatten Smarte Wärmenetze In Kombination mit Smart Heat Grid wird eine signifikante Einsparung erreicht durch Netzabschaltung Das Smart Heat Grid mit Model Predictive Control ermöglicht eine Unterstützung der Schwachpunkte durch Nachbargebäude mit solaren Überschüssen Das Wärmenetz erweitert im Sommer seine Funktion/Verteilrichtung Gebäude Gebäude KWK-Anlage verlagert seine Betriebszeiten positive Effekte nur im Vergleich zu wärmegeführter KWK Standard: Wärmegeführter Betrieb KWK Kombination ST und KWK: Energiewirtschaftl ich wirkungsvolles Zusammenspiel z.b.: Residuallast KWK Foto Fraunhofer ISE 16

17 Wärmeversorgungskonzept Hydraulik district heating GLM solar system DHW heating CHP TES substation building supply system A 23

18 Wärmeversorgungskonzept Hydraulik district heating GLM solar system DHW heating CHP TES substation building supply system A 24

19 Wärmeversorgungskonzept district heating GLM solar system Hydraulik DHW heating CHP TES substation building supply system A HAST substation 25 building supply system B

20 Simulation Sensitivität Wärmeverteilverluste / Betriebsart (Impuls und Kooperation) Verringerung der Netzverluste Verluste Wärmenetz in % -32 % 35

21 Simulation Sensitivität Wärmeverteilverluste / Betriebsart (Impuls und Kooperation) Verluste Wärmenetz in % Höhere Robustheit durch smarten Betrieb 36

22 Kosten Ergebnisse Ausschreibung vier Ausschreibungen im Bieterverfahren Kollektor Regelung Solarstation Warmwasserspeicher hydraulische Systemkomponenten Installation (lokale Wertschöpfung) Große Preisspanne Steuerung hoher/ kleiner Anteil herausforderndes Marktumfeld für Angebote Installation 37

23 Kosten Ergebnisse Ausschreibung Gesamtinvestitionen 1 Fernwärmesystem 3,25 Mio. EUR mittlerer Wärmepreis 2 21 ct/kwh Gesamtinvestitionen verursachen ~20 % des Wärmepreises Jährliche Kosten für Wärme ~ 8 /m² BGF Hohe Kosten vor Ort durch Abstimmung mit Bauherren, Planern und Handwerkern (38 Vertragspartner) 38 1 Netto-Invest: ohne MWst., Kapitalkosten der Investition abzgl. Zuschüsse (Fördergelder und Baukostenzuschüsse der Erwerber) 2 Gesamt Endkunde, incl. Aller in Fußnote 1

24 Umsetzung Installation und Inbetriebnahme hoher Aufwand für die Detailplanung, obwohl "Standard Systeme" das Systemkonzept ist technologisch interessant, aber die technologische (Qualitätssicherung) Reife von mittelgroßen (ST) Systemen ist nicht ausreichend Fraunhofer ISE, solites 39

25 Fazit 250 MWh / a Verteilungsverluste im geplanten Wärmenetz Reduzierung um 30% durch dezentralisierte ST (ca / a) 40 intelligente Wärmenetzsteuerung, die für einen stabilen Betrieb unerlässlich ist (kooperativer und Impulsbetrieb) Investitionskosten für mittelgroße (ST) Hydrauliksysteme sehr hoch Vielfalt an Gebäudetypologien erhöhen den Aufwand erheblich Qualitätssicherung nicht einfach zu implementieren Kosten für zusätzliche Kontrolle.. müssen sehr niedrig sein (DH Wärmeverlust-Einsparungen) Interaktion ST + KWK und Stromnetz ist positiv für einen hohen Anteil von PV, solange das System Wärme-betrieben wird, sobald der Betrieb von KWK Strom orientiert KWK mehr Nutzen als Kombination von ST + KWK

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Sebastian Herkel Axel Oliva 41

27 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