Kalte Nahwärme ein zukunftsweisendes Konzept zur Vernetzung von LowEx Systemen. Dr. Dirk Pietruschka

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1 Kalte Nahwärme ein zukunftsweisendes Konzept zur Vernetzung von LowEx Systemen Dr. Dirk Pietruschka

2 Übersicht Forschungsprojekt EnVisaGe Plusenergie-Mustersiedlung Vordere Viehweide Kalte Nahwärme mit Agrothermie Intelligentes Last- und Speichermanagement Zusammenfassung

3 Planungsleitfaden / Energienutzungsplan Umsetzungsplan Effizienzmaßnahmen / Erneuerbare Energien / SmartGrid + Stromnetzausbau / Finanzierungsmodelle Energie-Plus-Siedlung Vordere Viehweide innovative Wärmeversorgung, PV + Stromspeicher intelligentes Lastmanagement Demonstration Biomasse-Wärmenetz mit dezentraler Solarwärme -einspeisung In Planung Ausbaustrategien erneuerbare Energien Solarstrom/ wärme, Geothermie, Biomasse, Wind Energieeffizienz Strategien Strategien Gebäude und Versorgungstechnik Ausbaustrategie Stromnetz Smart Grid / intelligentes Lastmanagement Bestandsanalyse 3D-Stadtmodell, Bedarfsanalyse Wärme und Strom Partizipation Einbindung der Bürger/-innen

4 Plusenergie-Siedlung Vordere Viehweide II 25 Wohngebäude mit hohem Wärmeschutzstandard (KfW 55) Wärmeversorgung über Wärmepumpen mit Wärmespeicher Große PV-Anlagen mit 6-10 kwp (ca m²) auf nach Süden geneigten Dachflächen 6 Gebäude mit Aku-Stromspeicher für intelligentes Lastmanagement

5 Kalte Nahwärme Ein innovatives Versorgungskonzept Kaltwärmenetz mit Agrothermie statt Einzel-Erdsonden Nutzung von Abwärme aus Kühlprozessen (Anschluss REWE Markt geplant) 0.44 ha 1.06 ha

6 Effiziente Systemhydraulik 1.5 m³/h Agrothermiekollektor 1 DN40 DN250 DN40 max. 51m³/h Erreichte Effizienz: JAZ = 4,2 4,7 + freie Kühlung! Dezentrale Pumpen DN250 Agrothermiekollektor 2

7 Kaltwärmenetz und Agrothermie Grundgedanke: Vernetzung heterogener Verbrauchergruppen mit agrothermischen Pufferflächen Doppelacker GmbH, Tasdorfer Straße 42, Petershagen-Eggersdorf, ,

8 Kaltwärmenetz und Agrothermieflächen Montagetechnik zur thermischen Erschließung des Bodenkörpers Quelle: Doppelacker

9 Verlegetechnik der Argothermie Modellfotos der Einpflügetechnik Doppelacker GmbH, Tasdorfer Straße 42, Petershagen-Eggersdorf, ,

10 Kaltwärmenetz und Agrothermieflächen Montage der Agrothermie-Kollektorflächen in Wüstenrot Kopfgraben Einpflügevorgang Schnittfläche Quelle: Doppelacker

11 Anbindung der Agrothermie Agrothermiewerk: Management der Energieströme

12 Anbindung der Agrothermie Geschäftsmodelloptionen Doppelacker GmbH, Tasdorfer Straße 42, Petershagen-Eggersdorf, ,

13 Anbindung der Agrothermie Hausanschluss Kaltwärmenetz Musterlösung Anschlussbox incl. Zähler (vereinfacht die hausinternen Anschlußarbeiten)

14 Daten zum Energiekonzept der Plusenergiesiedlung: - Wärmebedarf der Wohngebäude inkl. Warmwasser 25 Wohngebäuden im KfW 55 Standard 15 EFH à kwh/a (56 kwh/m²a) 10 DHH à 7000 kwh/a (52 kwh/m²a) Gesamtwärmebedarf: Q h,ges = 250 MWh/a Wärmeversorgung über Wärmepumpen mit Erdreichkollektoren (JAZ = 3,7) - Strombedarf Heizung: Q el,h,ges = 68 MWh/a - Haushaltsstrom: 25 Haushalte à kwh/a Strombedarf Haushalte: Q el, Haushalte = 90 MWh/a Gesamtstrombedarf: Q el,gesamt = 158 MWh/a 210 kwp PV (10 kwp EFH, 6 kwp DHH) Q el, PV = 200 MWh/a

15 Agrothermie Auslegung Wüstenrot A) Auslegung nach Wärmebedarf - Wärmebedarf (25 Wohngebäude): Q h = 250 MWh/a - Ausbaureserve, Bestandsgebäude Q h = 150 MWh/a -Gesamtwärmebedarf: Q h,ges = 400 MWh/a Möglicher Wärmeentzug: kwh/m²a Ansatz: 40 kwh/m²a Erforderliche Agrothermiefläche: m² (1 ha) B) Auslegung nach Entzugsleistung -Wärmebedarf (8 kw x kw x 10): P h = 160 kwx(1-1/3,7)= 117 kw - Ausbaureserve (12 kw x 5 Gebäude): P h = 60 kwx(1-1/3,7)= 44 kw -Gesamtleistungsbedarf: Q h,ges = 161 kw -Mögliche Entzugsleistung: W/m² Erforderliche Agrothermiefläche: m² Ansatz 1.5 ha Doppelacker GmbH, Tasdorfer Straße 42, Petershagen-Eggersdorf, , info@doppelacker.com

16 Wirtschaftlichkeit Montageleistung und Kostenaufwand Kollektorregister: - je Bodenbedingungen ca. 0,5 ha/tag (5 km verlegte Erdkollektorrohre) - Montage Sammelrohre und Anschluss Kollektorrohre incl. DVGW-QS - Erschließungskosten ca. 500 /kw th (vgl. Sondenanlage ca /kw th ) Thermische Leistung und Ertrag: - einmalige Umlage Erschließung und Hausanschluss - gemäß DIN zwischen ca. 150 bis 420 kw th /ha bei Vollbetriebsstunden ( kwh th /ha bei Ansatz von 200 kw th /ha) - zuzüglich Einnahmen aus passiver Kühlung (zunächst unberücksichtigt) - für eine kwh Erdwärme können ca. 3 Cent Erlös veranschlagt werden, d.h. ca /ha p.a. (bei 400 MWh Gesamtwärmebedarf) - bei einer Jahres-Arbeitszahl der Wärmepumpe von 4 ergeben sich für ein EFH KFW 55 Wärmegestehungskosten von 18 Cent/kWh (Vollkostenrechnung) Doppelacker GmbH, Tasdorfer Straße 42, Petershagen-Eggersdorf, , info@doppelacker.com

17 Wärmegestehungskosten / /kwh Wirtschaftlicher Vergleich unterschiedlicher Heizsysteme (2014) 0,25 0,20 0,188 0,223 0,201 0,210 0,234 0,190 0,15 0,10 0,05 0,00 WP Agro LNG WP Erd Öl Brennwert Pellet WP Luft Zusatznutzung zur Raumkühlung und Effizienzgewinne durch heterogene Lastfallkonditionen noch nicht berücksichtigt! Doppelacker GmbH, Tasdorfer Straße 42, Petershagen-Eggersdorf, , info@doppelacker.com

18 Reale Kosten des installierten Systems Agrothermiekollektorfeld 1,5 ha i.e. 16,00 /m² Glykol i.e. 2,26 /m² Kaltwärmenetz i.e 10,00 /m² Gesamtkosten i.e. 28,26 /m² Förderung Anschlussgebühr (150 /kw th ) Verbleibende Kosten i.e. 8,82 /m² Einnahmen durch Wärmeverkauf: 400 MWh/a *30 /MWh = /a ( künftig Flatrate 60 pro kw pro Jahr) Statische Amortisation: 11 Jahre (35 Jahre ohne Förderung) Feld Überdimensioniert für Erweiterung / Anschluss Bestand Zusätzliche Einnahmen! Hohe Kosten durch Prototyp künftig -40% Wärmenetz im Nachtrag eingebracht Hohe Kosten Real -30% Doppelacker GmbH, Tasdorfer Straße 42, Petershagen-Eggersdorf, , info@doppelacker.com

19 Nutzung von Abwärme aus Kühlprozessen Win-Win-Situation für die Energieeffizienz 0.44 ha 1.06 ha

20 Nutzung von Abwärme aus Kühlprozessen Abwärme Verflüssiger bestehender Kühlkreislauf Solegekühlter Verflüssiger Expansionsventil Verdampfer - Tiefkühlung - Normalkühlung Kompressor Vorteile Kaltwärmenetzanschluss - Senkung des Stromverbrauchs (Kompressor, Axiallüfter, WP) - ganzjährige Nutzung Anschluss Kaltwärmenetz

21 Q [kwh] Arbeitszahl Messdaten 2013 Wärmepumpe Jahr 2013 QWärme [kwh] Qel, Gesamt [kwh] Arbeitszahl JAZ = 4,7 Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

22 Q [kwh] Arbeitszahl Messdaten 2014 Wärmepumpe Jahr 2014 QWärme [kwh] Qel, Gesamt [kwh] Arbeitszahl JAZ = 4, Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 0

23 Intelligentes Last- und Speichermanagement Erhöhung Eigenstromnutzung / Glättung von Lastspitzen Stromnetzentlastung durch vorausschauende netzgeführte Regelung (Demand-Side-Management) PV Agrothermie Agrothermie Kaltwärmenetz Stromnetz Übergabe Kaltwärmenetz Wärmepumpe Wärmespeicher Stromspeicher

24 Intelligentes Lastmanagement Einbindung in das Virtuelle Kraftwerk von Vattenfall Virtuelles Kraftwerk Optimierung Netzauslastung Server in der Cloud PV + Stromspeicher Wärmepumpe Pufferspeicher Prof. Dr. Mustermann, Agrothermie Kollektoren 24

25 W / Wh W / Wh W / Wh W / Wh Intelligentes Lastmanagement auf Gebäudeebene Optimierungsziele : soviel Eigenverbrauch wie möglich sowenig Leistungsspitzen ins Netz wie möglich Direktes Laden Direktes 4000 Laden Speicherinhalt Einspeisung Verbrauch :00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 Verzögertes 0 Laden bzw. Peak Shaving :00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0 Zeit 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 Zeit Quelle: Jann Binder, ZSW PV Leistung 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 Verzögertes Laden bzw. Peak Shaving PV Leistung Einspeisung Speicherinhalt Maximale Einspeiseleistung PV Maximale Leistung Einspeiseleistung [W] Verbrauch PV Leistung [W] [W] Eingespeiste Verbrauch [W] Leistung [W] Energieinhalt Eingespeiste der Leistung Batterie [W] [Wh] Energieinhalt der Batterie [Wh]

26 Prozent der gesamten PV Stromerzeugung [%] Intelligentes Lastmanagement auf Gebäudeebene Modellprädiktive Steuerung (MPC) von elektrischem Speicher und Wärmepumpe mit Wärmespeicher erhöht den Eigenverbrauchsanteil regenerativ erzeugter Energie reduziert den Verlust durch Abregelung über dem Einspeiselimit (hier 50% PV peak ) WP wärmegeführt WP MPC gesteuert PV = 4500Wp, Batterie = 4500Wh, Einspeiselimit 2250W (50% der Peakleistung), Wärmeversorgung mit Wärmepumpe, Haushaltgeräte 4500 kwh B. Matthiss, ZSW, OTTI Konferenz zukünftige Stromnetze für Erneuerbare Energien, , Berlin

27 Optimierung Intelligentes Lastmanagement Lokale Optimierung Eigenstromnutzung je Gebäude Last- und Erzeugungsprofil Wettervorhersage Simulation Erzeugung Statistik Stromlasten Nutzerprofile Simulation Wärmebedarf Fahrplan WP + Batterie Fahrplan Batterie Fahrplan WP Fahrplan variable Lasten (WM, SP, E-Mobil) Potential verfügbarer Stromsenken Generator Einzelfahrplan Virtuelles Kraftwerk Summen Signal Cluster Übergeordnete Netzoptimierung (Vattenfall)

28 Wo stehen wir heute? - Sieben Wohnhäuser sind fertiggestellt und hängen am Netz JAZ > 4,5 - System zum Monitoring und zur intelligenten Steuerung wird derzeit installiert - Cloud-basierte Lösung mit abgesicherter Datenübertragung hat sich gelohnt - Anschluss REWE steht noch aus!

29 zafh.net Zusammenfassung: Innovative Technik braucht mutige Entscheider und Fürsprecher vor Ort! Bauherren als Kontaktpersonen für Bauinteressenten (Paten des Baugebiets) Kaltwärmenetz intelligente Vernetzung von Abwärmequellen (Kälteanlagen, Kühlung, Abwasser etc.) mit Niedertemperaturwärmesenken (Wärmepumpen) Agrothermie großtechnische Erschließung von oberflächennaher Geothermie Wärmequelle und -senke sowie Puffer für das Kaltwärmenetz Die Montagesystemtechnik zur großflächigen Erschließung ist verfügbar und wird weiter optimiert Zur Umsetzung von Kaltwärmenetzen werden neue Abrechnungsmodelle notwendig: - Flatrate anstatt Wärmebezugsabrechnung (Deckung von Betriebskosten durch Wartung und Pacht) - Erwerb der Infrastruktur mit dem Grundstückskauf (möglichst keine Umlage von Kapitalkosten auf die Wärmebezugspreise) Nachträge vermeiden! Intelligentes Last- und Speichermanagement Hohe Eigenstromnutzung und Entlastung der Stromnetze vor Ort Im Verbund auch interessanter Beitrag zur Flexibilisierung der Stromnetze 29

30 Vielen Dank!