Innovative Wärmeversorgungskonzepte für Siedlungen und Quartiere. - Risiken und Potenziale für First-Mover Tekn. Dr. Dietrich Schmidt Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES, Kassel Auf Wissen bauen Wärmetagung 2017, BWP, Köln, 21. September 2017
Endenergiebedarf in Deutschland (2014) End energy use in Germany (2014) Quelle: BMWi 2014: Bericht Renovierung nationaler Gebäudebestand
Entwicklung des energieeffizienten Bauens 4 Quelle: TUM, Lehrstuhl für Bauphysik, Prof. Dr.-Ing. Gerd Hauser
Zukunftsthema Bau: serienreife Plusenergiehäuser Das Gebäude als Tankstelle für E-Mobility Fraunhofer IBP
FVEE Jahrestagung 2013: Forschung für ein nachhaltiges Strom-Wärme-System Quelle: Postbank
Unser zukünftiges Energiesystem: Kopplung der Sektoren Strom-Wärme-Verkehr Heute in 2050 Strom Effizienz Strom Wärme Effizienz Wärmepumpen Power-to-heat Wärme Verkehr Effizienz Verkehr e-mobilität Power-to-gas
Ein Blick in 2050.
Technologische Durchdringung des Wärmemarktes in 2050 Haushalte und Gewerbe Industrie Technologische Zusammensetzung der Wärmemärkte 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% EFH bis 1979 EFH 1979-1994 EFH MFH GHD EFH 1995-2009 Neubau, KfW 55 Standard bis 2050 MFH bis 1979 MFH 1979-1994 MFH 1995-2009 Büroähnliche Betriebe Handel, Textil, Bekleidung, Spedition Beherbergung, Gaststätten, Heime Krankenhäuser, Schulen, Bäder Gaswärmepumpe* Brennstoffzelle* BHKW* Brennwertkessel* Brennwertkessel* + Solarthermie FW-KWK~ + Groß-WP FW-KWK*~ + Solarthermie FW-KWK*~ WP-Luft WP-Sole Müll-HKW Holzheizung Technologische Zusammensetzung der Wärmemärkte 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Industrie < 100 C Industrie (inkl. GHD-PW) Industrie < 500 C Industrie > 500 C Strom Monovalent Gas Monovalent Bio-Gas/-SNG Monovalent Heizkessel* Heizkessel* + Solarthermie KWK~ + Groß-WP KWK*~ + Solarthermie KWK*~ Groß-WP WP + Solarthermie Reststoffe-HKW Wärmebedarf [TWh] 120 100 80 60 40 20 0 Raumwärme Warmwasser * PtH ~ Spitzenlastkessel Wärmebedarf [TWh] 240 200 160 120 80 40 0 Raumwärme Prozesswärme * PtH ~ Spitzenlastkessel
Herausforderungen Gebäude & Städte sind Hauptverbraucher von Energie Neue Gebäude sollen als kleine Kraftwerke gebaut werden. Sanierungsraten müssen zur Steigerung der Energieeffizienz erhöht werden! Neuste Entwicklungen fokussieren zunehmend auf das Quartier.
Lösungsansatz für Quartiere 11 Innovative Wärmenetze und Wärmepumpen! Niedertemperatur-Fernwärme ist eine Schlüsseltechnologie zur effizienten Integration erneuerbarer Energien und Abwärme in unsere Energiesysteme. IEA DHC Annex TS1 IEA DHC Annex TS1: Low Temperature District Heating for Future Energy Systems
Praxisbeispiel Kassel Zum Feldlager Innovatives Wärmeversorgungskonzept für die zeitgemäße Siedlung 130 Gebäude, KfW-70-Standard, Gesamt-Heizwärmebedarf 1.750 MWh/a Ziel: Energieversorgung ohne fossile Energien & neues Geschäftskonzept Studie: Variantenvergleich mit dem Stand der Technik (Gas-BW + Solarthermie)
13 Projekt Kassel-Feldlager : Untersuchte Versorgungsvarianten Dezentral Zentral z.b. Dezentrale Luft/Wasser- Wärmepumpen, Trinkwarmwasser (TWW) solarunterstützt z.b. Kraft-Wärmekopplungsanlage mit elektrisch gekoppelter Wärmepumpe in Kombination mit einem Wärmegroßspeicher wahlweise fossil (Erdgas) oder regenerativ (Biomethan). Referenz Dezentraler Gas- Brennwertkessel in jedem Gebäude mit Solarthermie zur TWW-Unterstützung Gewählte Variante Zentrale Wärmeversorgung mit Erdwärme gespeister NT- Fernwärme (40 C) in Kombination mit dezentralen TWW-Bereitstellung durch Heizstab, Solarthermie und NT-FW.
Ergebnisse der Vorstudie: Bewertungsmatrix und Wichtung 14
Ergebnisse der Vorstudie 15 Projektergebnis Gewählte Variante (Geosolare FW) Referenzvariante (Gas BW Kessel)
Ergebnisse der Vorstudie 2.000 MWh / a 1.750 1.500 1.250 1.000 Gasbedarf 750 500 250 0-250 -500 BW-Kessel Condensing Boiler + Solar + Solar Primary Primärenergiebedarf Energy Demand Strombedarf* Stromproduktion* KWK+ CHP + GSHP WP Geo-Solar Geosolare DH Geo-Solar Geosolare DH FW (40 (40 C) FW (20 (20 C) * Nach EnEV16 für Strommix mit Primärenergiefaktor 1,8 und CO 2 -Emissionen 0,347 kg/kwh 16 Grafik: Universität Kassel Fachgebiet Solar und Anlagentechnik
17 Ergebnisse der Vorstudie 2.000 MWh / a 1.750 Primary Primärenergiebedarf Energy Demand Referenz 1.500 1.250-22 % Gasbedarf 1.000 750-61 % - 51 % 500 Strombedarf* 250 0-250 -500 BW-Kessel Condensing Boiler + Solar + Solar KWK+ CHP + GSHP WP Geo-Solar Geosolare DH Geo-Solar Geosolare DH FW (40(40 C) FW (20 (20 C) Stromproduktion* * Nach EnEV16 für Strommix mit Primärenergiefaktor 1,8 und CO 2 -Emissionen 0,347 kg/kwh Grafik: Universität Kassel Fachgebiet Solar und Anlagentechnik
Ergebnisse der Vorstudie 18 Jahreswärmekosten Specific Heat Costs für Nutzer Referenz -5% Condensing BW-Kessel Boiler + + Solar CHP KWK+ + GSHP WP Geo-Solar Geosolare DH (40 C) FW Geo-Solar Geosolare DH FW (20 C) (40 C) (20 C) Kostenrechnung beinhaltet Investitions-/Kapital-, Betriebs-, Wartungs- und Personalkosten. 15 Jahre für technische Anlagen, 30 Jahre für Infrastruktur Grafik: Universität Kassel Fachgebiet Solar und Anlagentechnik
Geosolare Wärmeversorgung 19
Geosolare Wärmeversorgung: Anlagentechnik im Gebäude 20 Anlagentechnik im Gebäude am Bsp. EFH
Geosolare Wärmeversorgung: Betriebsmodus: Heizfall / Winter 21 FW-Netz T Vorlauf 40 C Zentrale Wärmepumpe Elek. Spitzenlastkessel Strom Erdsondenfeld
Geosolare Wärmeversorgung: Betriebsmodus: Erdreichreneration / Sommer 22 Unabgedeckte Solarkollektoren Zentrale Wärmepumpe Elek. Spitzenlastkessel Erdsondenfeld Strom
23 Zusammenfassung Regenerative Wärmeversorgung Solarwärme, Geothermie, Wärmepumpe, NT-Nahwärme erstmals für ein Großstadtquartier verknüpft. Günstiger als konventionelle Versorgung Heute schon ca. 5% günstiger als Gas-Brennwertkessel UND zukunftssicher, da unabhängig von steigenden Öl- und Gaspreisen. Übertragbar auf (fast alle) Neubausiedlungen, auch geeignet für die Umsetzung im Bestand. Intelligente Verknüpfung erprobter Technologien Integration innovativer Fernwärme-Technogien & gebäudetechnischer Anlagen durch eine Großwärmepumpe Fraunhofer IBP
Internationale Kooperation www.iea-dhc.org IEA DHC Annex TS1: Low Temperature District Heating for Future Energy Systems Fraunhofer IBP
Beispiel: Ulstein (NO) Seewasser aus dem Fjord als Niedertemperaturquelle (4-9 C) der dezentralen Wärmepumpen Heizen und Kühlen für Wohnund Nichtwohngebäude Neue Geschäfts- und Preismodelle Quelle: NTNU/Trondheim
Beispiel: Wüstenrot (D) Quelle: HFT Stuttgart Niedertemperatur-FW mit agrothermischen Kollektoren/Speichern und WP + PV Einbindung unterschiedlicher Nutzer Dezentrale TWW-Bereitung Quelle: HFT Stuttgart
Schlussfolgerungen Energieeffizienz ist unsere größte Energiequelle! Gebäude und der Wärmesektor müssen entsprechende Beachtung finden! Wärmewende umsetzen! Strom aus fluktuierenden und erneuerbaren Quellen wird unsere zukünftige Primärenergiequelle sein. Schlüsseltechnologie Wärmepumpe Integration aller Teilsysteme ist die Aufgabe der Zukunft.
Quelle: Stadt Kassel 28 Fraunhofer IBP