Wärmesenken im Netzrücklauf Wärmepumpen contra Rücklaufanschlüsse

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1 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Professur für Energiesystemtechnik und Wärmewirtschaft Wärmesenken im Netzrücklauf Wärmepumpen contra Rücklaufanschlüsse Dipl.-Ing. Steffen Robbi Teilthema des Projektes: LowEx-Fernwärme MULTILEVEL DISTRICT HEATING (MDH) Forschungsvorhaben gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie FKZ: B

2 Übersicht Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 2

3 I. Übersicht Wärmversorgung aus dem Fernwärmenetzrücklauf Kundenanlage Sekundärnetz Energetische Bewertung Hydraulische Netzrestriktionen Gekoppelte Wärmever- & Wärmeentsorgung Senkung von Wärmeverlusten Solarthermischer Wärmeeintrag Abwärme aus Kälteanlagen Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 3

4 I. Übersicht Wärmversorgung aus dem Fernwärmenetzrücklauf Heizwärmebedarf Q H wird über Netz bereit gestellt t FW > t H t FW < t WW t FW < t H, t WW TWE Heizwärme Q H und Brauchwarmwasser Q WW Erzeugung mit WP Heizwärmeerzeugung Q H mit WP und elektrische Nachheizung des Brauchwarmwassers Q WW Zentrale elektrische Nachheizung Dezentrale TWE - Zuspeisung aus Zentrale TWE Direktwassersysteme Netzvorlauf mit KWP Wärmequelle Umweltwärme Wärmequelle Fernwärmenetz Zu untersuchendes Einsatzgebiet: Wärmepumpe zur Wärmetransformation auf höheres Temperaturniveau Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 4

5 Kundenanlage Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 5

6 I. Übersicht Grundlegendes Schaltbild eines Rücklaufanschlusses im Primärnetz Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 6

7 I. Übersicht Hydraulik Rücklaufanschlüsse Zentrale TWE mit Zuspeisung aus dem Netzvorlauf Zentrale TWE mit Kompressionswärmepumpe (KWP) Wärmequelle Fernwärmenetzrücklauf Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 7

8 II. Energetische Bewertung von Rücklaufanschlüssen Rücklaufauskühlung bei Entnahme-Gegendruck-HKW 0,6 0,58 f P m=konst. f P m=variabel. Anschluss an Anschluss an Netzrücklauf Netzvorlauf (mit P el,wp ) 0,56 f P,F W 0,54 0,52 f P m=konst. Anschluss an Netzrücklauf (ohne P el,wp ) P el,wp = ΔP HKW COP min = 29,1 0,5 1,00 1,02 1,04 1,06 1,08 1,10 Q FW /Q FW,0 Primär Vorlauftemperatur t FW,VL 100 C Warmwassertemperatur t VL,WW 65 C Ausgangspunkt Rücklaufabsenkung k t RL,0 50 C Kältemittel l R365mfc/R227ea Leistungssteigerung DQ WW 0.. 1/10 Q FW,ges Leistungszahl WP 10,6 Quelle HKW-Kennlinien: Wirths, A., 13. Dresdner Fernwärme-Kolloquium Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 8

9 II. Energetische Bewertung von Rücklaufanschlüssen Schlussfolgerung Kundenanschluss an Netzrücklauf Trotz energetischer Verbesserungen der dargestellten HKW bei Rücklaufauskühlung: Energetischer Mehraufwand durch Verdichterarbeit Gegenwärtige Untersuchungen zeigen jedoch Unterschiede zwischen einzelnen HKW Objektkonkrete Untersuchung Wenn ausreichend hohes Temperaturniveau verfügbar ist: Rücklaufanschluss und TWE aus Vorlauf (oder Konstantleiter) Sinnvolle Einsatzmöglichkeiten: Bei hydraulischen Netzrestriktionen? Versorgung von Sekundärnetzen? Wärmetransformation in Netzen mit niedrigen Temperaturniveaus? Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 9

10 III. Hydraulische Netzrestriktionen Q H = kw Investit tionskosten n K I / T DN600 DN350 DN300 Q H = kw Kostengleichheitzwischen Investition in Netzausbau & Wärmepumpe ab Rohrlänge L R : DN300 ~ 170 m (1.000 kw) DN350 ~ 220 m (1.500 kw) DN600 ~ 470 m (5.000 kw) 100 Q H = kw Rohrlänge L R / m Netzausbau: Wärmepumpe Netzrücklauf: DN300 DN350 DN600 QH = kw QH = kw QH = kw Quellen: Lambauer J., et al: Industrielle Großwärmepumpen, Potentiale, Hemmnisse und Best Practice Beispiele, 2008 Energy Consulting: Kennziffernkatalog, Investitionsvorbereitungen in der Energiewirtschaft, 2004 Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 10

11 Sekundärnetze Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 11

12 Versorgung von (weit entfernten) Sekundärnetzen Zentrale Fernwärmeversorgung t VL,FW = 90 C t RL,FW = 55 C t RL,FW = 60 C Senkung der Wärmeverluste in der Versorgungsleitung Q ST 35 C 50 C Einbindung regenerativer oder Anfallenergien auf niedrigem Temperaturniveau 75 C 50 C Sekundärnetz t VL,NW = 75 C t RL,NW = 50 C Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 12

13 IV. Senkung von Wärmeverlusten Wärmeverlust - Anschlussleitung eines Sekundärnetzes Trotz gesenktem Wärmeverlust: Brennstoffaufwand für Verdichterarbeit größer als Brennstoffeinsparung durch reduzierte Wärmeverluste (bei L Rohr < m) Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 13

14 V. Solarthermischer Wärmeeintrag Ertragssteigerung solarthermischer Wärme durch Verringerung der Einspeisetemperatur 500 Jahr reswärme Q E,a / kwh/(m 2 a) Absenkung der Einspeisetemperatur von 60 Cauf35 C: Ertragssteigerung um 40 % Annahmen: 100 Spreizung zwischen Vor- und Rücklauf (ST): 3 K Systemverluste: 15 % Speicherverluste: 10 % Wetterdaten: TSOL 4.3, Standort Dresden, TRJ Einspeisetemperatur t E / C Vakuumröhrenkollektor (1) Vakuumröhrenkollektor (2) Flachkollektor (1) Flachkollektor (2) Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 14

15 V. Solarthermischer Wärmeeintrag Energetische Bewertung Wärmeeinspeisung Gesamtbrennstoffbedarf Konstante Größen Brennstoffausnutzungsgrad HKW: 0,90 Wirkungsgrad getrennte Stromerzeugung aktuell: 0,38 Referenzwirkungsgrad der getrennten Stromerzeugung 1 : GuD: 0,52 GT mit AHK: 0,44 Dampf HKW: 0,42 Variable Größe Stromkennzahl GuD: 1,00 GT mit AHK: 0,60 Dampf HKW: 0,35 1 nach Richtlinie 2004/8/EG Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 15

16 V. Solarthermischer Wärmeeintrag Energetische Bewertung Wärmeeinspeisung Gesamtbrennstoffbedarf Q FW / Q FW,0 /% rela ativer Brenn nstoffbeda arf / % Verdrängung g von hocheffizienter KWK-Wärme ist kontraproduktiv Wichtig: Teillastwirkungsgrade & Wirtschaftlichkeit! Jahressimulation σ Grenz =073 0,73-30 GuD GT mit AHK Dampf HKW GuD - aktuell GT mit AHK - aktuell dampf HKW - aktuell Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 16

17 VI. Abwärme aus Kälteanlagen Erschließung neuer Wärmequellen Zentrale Wärmeversorgung und/oder Wärme entsorgung Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 17

18 Zusammenfassung Gekoppelte Wärmeversorgung und Wärmeentsorgung Winter: Konventionelle Netzparameter Sommer: Abgesenktes Temperaturniveau mit Kompressionswärmepumpen zur TWE Vorteile für Netzbetreiber Steigerung der Kraftwerkseffizienz (Typabhängig!) Senkung der Wärmeverluste Erschließung neuer Wärmequellen Abschaltmöglichkeit von HKW in ungünstigen Teillastzuständen (bei vorhandenem Speicher) Schaffung neuer Anreize für Kunden zum Fernwärmeanschluss Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 18

19 Zusammenfassung Gekoppelte Wärmeversorgung und Wärmeentsorgung Winter: Konventionelle Netzparameter Sommer: Abgesenktes Temperaturniveau mit Kompressionswärmepumpen zur TWE Vorteile für Kunden Einspeisung von solarem Wärmeüberschuss & Ertragssteigerung durch niedrige Temperatur Rückspeisevergütung(?) Abwärmeentsorgung g von Kälteanlagen Einsparungen der Rückkühleinheit Kosten für Wasser & Hilfsstrom Rückspeisevergütung(?) Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 19

20 Zusammenfassung Gekoppelte Wärmeversorgung und Wärmeentsorgung Winter: Konventionelle Netzparameter Sommer: Abgesenktes Temperaturniveau mit Kompressionswärmepumpen zur TWE Trotz möglicher energetischer Nachteile (Verdichterarbeit) Kundenanreiz zum Fernwärmeanschluss Steigerung der Wirtschaftlichkeit im Teillastbetrieb 1 1 Nestke, e, Dittmann, Rühling: Solarthermie e und Wärmepumpe pe versus Fernwärme?, e 13. Dresdner Fernwärmekolloquium 2008 Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 20

21 VII. Ausblick Multilevel District Heating Softwaretool MultiLevel Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 21

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ihr MDH Team Dipl.-Ing. Steffen Robbi Tel. (0351) Mittwoch, 24. September Dresdner Fernwärmekolloquium Wärmesenken im Netzrücklauf 22