Wärmespeicher und Power-to-Heat in der Fernwärmeversorgung

Wärmespeicher und Power-to-Heat in der Fernwärmeversorgung Dipl.-Ing. Andreas Christidis Institut für Energietechnik FG: Energietechnik und Umweltschutz Statusseminar Energieforschung für die Wärmewende Frankfurt, 19.-20. April 2016

Agenda Projektbeschreibung Betrachtetes System und Methodik Ergebnisse Wärmespeicher Power to Heat Synergien von Wärmespeicher und Power to Heat Zusammenfassung Statusseminar EnEff:Wärme 2016 2

Konsortium und thematische Gliederung Hochschule für Angewandte Wissenschaft und Kunst (HAWK-HHG) Wärmeverluste von Wärmespeichern Universität Leipzig Szenarien für Spotmarkt- und Regelleistungspreise für 2015, 2020, 2025, 2030 und 7 Sensitivitäten (Wind, PV, Flexibilität, CO 2 -Preise) für 2030 Vattenfall Wärme AG, Großkraftwerk Mannheim AG, MVV Energie AG Datenbereitstellung, Praxisreflektion, Beratung TU Berlin Charakteristika von Heizkraftwerken aus Kreislaufsimulationen Optimierungsmodell zur Einsatzplanung des Fernwärmesystems Ergebnisauswertung Projektlaufzeit: 01.07.2013 31.12.2016 Statusseminar EnEff:Wärme 2016 3

Projektinhalte Wärmespeicher in Fernwärmesystemen Erhöhung der Flexibilität von KWK-Anlagen Strompreisorientierte Fahrweise Beitrag zur Regelenergiebereitstellung Erhöhung der Energieeffizienz Erhöhung des KWK-Anteils der Wärmeerzeugung Reduktion des Primärenergieeinsatzes und der CO 2 -Emissionen Wirtschaftlichkeit von Wärmespeichern Wärmespeicher und Power-to-Heat in Fernwärmesystemen Einsatz von Wärmepumpen und E-Heizern Synergien und Konkurrenz von P2H und Wärmespeichern Statusseminar EnEff:Wärme 2016 4

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Betrachtetes Fernwärmesystem Kapazität des Wärmespeichers: 600 MWh (1 h) 1.200 MWh (2 h) KWK-Anlage (P2H) (Wärmespeicher) 2.400 MWh (4 h) 4.800 MWh (8 h) Power to Heat (P2H): Heizwerk Wärmepumpe (100 MW th ) oder E-Heizer (100 MW th ) jeweils mit Eigenstrom oder Netzstrom KWK: 600 MW Temperaturen: Vorlauf: 90 130 C (Heizkurve) Rücklauf: 60 C Wärmespeicher: 98 C / 60 C Wärmepumpe: 90 C P2H: 100 MW Verluste des Wärmespeichers: Werden berücksichtigt, Ergebnis: ~ 0,1 % der zwischengesp. Wärme Statusseminar EnEff:Wärme 2016 6

Betrachtete Heizkraftwerke Entnahmekond.-Anlagen (EK) (je 2 Zwillingsblöcke 600 MW th ) Gegendruck-Anlagen (GD) (je 3 Zwillingsblöcke 600 MW th ) Anlagencharakteristika aus Kreislaufsimulationen mit Ebsilon Professional Berücksichtigung von: Anfahrkosten- und Lastrampen, minimalen Stillstands- und Betriebszeiten Teillastwirkungsgraden Variabler Vorlauftemperatur Variabler Außentemperatur bei Gasturbinen Statusseminar EnEff:Wärme 2016 7

Methodik / Optimierungsmodell Eingangsdaten Modell Ergebnisse Wärmenachfrage Außentemperatur Heizkurve Strompreise Brennstoffpreise CO 2 -Zertifikatspreise Anfahrkosten Optimierung: Maximiere: Deckungsbeitrag = Stromerlöse var. Kosten Stündliche Energieund Kostenströme bzw. Lastpunkte der Erzeugungseinheiten Be- und Entladung des Wärmespeichers Stündliche Einsatzplanung jeweils für ein Kalenderjahr Aus Differenzbetrachtung mit Rechnung ohne WSP und P2H ergeben sich die Effekte (Betrieb, Kosten, Brennstoffeinsatz) durch WSP und / oder P2H Gemischt-ganzzahlig, lineares Modell (GGLP / MILP), GAMS + CPLEX Statusseminar EnEff:Wärme 2016 8

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Gegendruck-GuD mit 1.200 MWh-WSP (2015) Statusseminar EnEff:Wärme 2016 10

Wärmespeicherbetrieb GUD-GD, 2015 GUD-GD Hohe Strompreise: Beladung + erhöhte Stromerzeugung Niedrige Strompreise: Entladung + verminderte Stromerzeugung In Summe: erhöhte Strom- und somit KWK-Wärmeerzeugung Statusseminar EnEff:Wärme 2016 11

Wärmespeicherbetrieb DKW-EK, 2015 DKW-EK Sehr hohe Strompreise: Entladung + erhöhte Stromerzeugung Hohe Strompreise: Beladung + verminderte Stromerzeugung Niedrige Strompreise: Beladung + erhöhte Stromerzeugung Sehr niedrige Strompreise: Entladung + verminderte Stromerzeugung Statusseminar EnEff:Wärme 2016 12

Wärmespeicherbetrieb: Vergleich GUD-GD DKW-EK Vergleich: GUD-GD und DKW-EK Zwischengespeicherte Wärme / Stromveränderung: DKW-EK >> GUD-GD Stromkennzahl GD (1,3) >> Stromverlustkennzahl EK (~0,18) Stromkennzahl GUD (1,3) > Stromkennzahl DKW (0,55) Stromerzeugung steigt sichtbar bei GUD KWK-Deckungsgrad steigt Statusseminar EnEff:Wärme 2016 13

KWK-Deckungsgrad Anteil der in KWK erzeugten Jahreswärmearbeit ohne Wärmespeicher Erhöhung durch Wärmespeicher in %-Punkten Statusseminar EnEff:Wärme 2016 14

Deckungsbeitrag und Dimensionierung von WSP Deckungsbeitrag / Dimensionierung eines Wärmespeichers abhängig von: Flexibilität des HKW Entnahmekond.- / Gegendruckturbine Stromkennzahl (σ) und var. Stromgestehungskosten Struktur und Niveau der Strompreise Wärmespeicher sind Kurzzeitspeicher (50 bis 400 Vollzyklen / a) Statusseminar EnEff:Wärme 2016 15

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Gegendruck-GuD mit Wärmepumpe und WSP Statusseminar EnEff:Wärme 2016 17

Vollaststunden der P2H-Anlagen (ohne WSP) Wärmepumpe mit 100 MW th (= 36 MW el ) Netzstrom E-Heizer mit 100 MW th Zusatzkosten Neuanlagen, Stand 2016: Eigenstrom: 45,00 /MWh el (Stromsteuer + 40% EEG-Umlage) Netzstrom: 120,00 /MWh el Statusseminar EnEff:Wärme 2016 18

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Anteile der Fernwärmeerzeugung (2015) Entnahmekond.-DKW Gegendruck-GUD Statusseminar EnEff:Wärme 2016 20

Monetäre Synergie WSP & WP Statusseminar EnEff:Wärme 2016 21

Zusammenfassung Wärmespeicher Betrieb und Wirtschaftlichkeit von WSP ist stark abhängig von: Flexibilität des HKW (Gegendruckturbine / Entnahmekond.) Stromkennzahl / Stromverlustkennzahl und var. Stromgestehungskosten Volatilität und Niveau der Strompreise Einzelfallbetrachtung notwendig KWK-Deckungsgrad lässt sich durch WSP erhöhen, insb. bei geringen Vollaststunden der KWK-Anlage (vgl. GuD 2030) Power-to-Heat: Einsatz stark abhängig von Effizienz (COP) und Gesamtkosten für Strom Wärmepumpe verdrängt vorrangig Heizwerk, insb. bei DKW Synergie von Wärmepumpe und Wärmespeicher ist für die untersuchten Fälle gering WSP und WP können (theoretisch) separat bewertet werden Statusseminar EnEff:Wärme 2016 22

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Andreas Christidis Institut für Energietechnik FG: Energietechnik und Umweltschutz Statusseminar Energieforschung für die Wärmewende Frankfurt, 19.-20. April 2016