Energie Wasser Bern ABB Fachtagung "Top of Industry" 21.06.2019 Energieproduktion und Verteilung Martin Jutzeler, CU
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Energie Wasser Bern ABB Fachtagung "Top of Industry“ 21.06.2019 Energieproduktion und Verteilung Martin Jutzeler, CU 1
Agenda • Auftrag Stadt Bern an ewb • Bedeutung der Klimaveränderung auf die Energieversorgung • Aktuelle Energieproduktion - Stromproduktion in Europa und der Schweiz - Das Potential des europäischen Gasnetze - Die lokale Wärmeproduktion - Veränderndes Umfeld • Strategie Entwicklung in Bern - Richtplan Energie 2035 • Die Produktion in der EZF Energiezentrale Forsthaus - KVA, HHW, GuD - Saison-Speicher 2
Martin Jutzeler, Systemoptimierung Energie Wasser Bern, ewb CU Maschinen Ingenieur HTL, NDS Wirtschaft, CAS EPFL GES (Gouverning Energy Transitions) Planung, Simulationen und Optimierung von Energie- und Infrastruktursystemen aus zentraler und dezentraler Erzeugung und Speicherung martin.jutzeler@ewb.ch +41 79 832 24 75 Danksagung für Quellen: • Geothermie Schweiz • AfU Bern • SVGW • tbf partner • Energie Schweiz • ewb intern • Geoenergie Suisse • weitere
Mir haute Bärn am loufe Wir versorgen Bern mit Strom, Biogas und Erdgas, Fernwärme, Wasser sowie Glasfaser-Internet und fördern energieeffiziente Mobilität. 7 Tage x 24 Stunden, sicher und nachhaltig Wir produzieren Strom und Wärme aus erneuerbaren Energieträgern und Kehricht und bieten mass- geschneiderte Gesamtenergielösungen aus einer Hand
Veränderung Klima Reduktion CO2 Weltweite Betrachtung 8 K. Riahi et al. (2018). “The Shared Socio - Economic Pathways (SSPs): An Overview”, UNFCCC ICONICS.
Aktuelle Situation der Energieproduktion veränderndes Umfeld
Stromproduktion 12
Aufteilung weltweiter Stromerzeugung Juni 2015 13
Das Schweizer Höchstspannungsnetz 14
Muss die Produktion immer zentral sein ? 15
Beispiel Wind, Solar, Strommix und Handel 9.12.2018 https://www.electricitymap.org/ CH als E-Transit 16
Hauptnetz des Schweizer Erdgas- Versorgung 17
Wärmeproduktion ist lokal 18
19
Netztemperaturen Was ist die richtige End- und Netztemperatur? SVGW-F1 SVGW-F2 Welt der Welt der Umweltwärme Verbrennung und Wärmepumpe Kühlen 20
Veränderung des Benutzerprofiles Endenergie Welt der Verbrennung! 95% / 5% 200 ~65°C kWh Welt der Wärmepumpe? Bsp. Areal Holliger 40% / 60% SIA 2040 2000W WW: 14 W/m2a ~30°C Wärme: 10 W/m2a 25 (65°C WW) WW: 910 MWh/a kWh Wärme: 440 MWh/a Ø Was ist die richtige Netztemperatur? 21
Strategie und Plan ewb 22
Die wichtigsten Handlungsmaximen ERP 2035 20% Reduktion der Wärmemenge 70% erneuerbarer Anteil in der Wärme 80% erneuerbarer Anteil im Strom 23
Energierichtplan 2035 Stadt Bern Gas Hochwertige- Abwärme 24
Umbau der Wärmeversorgung 25
Geplanter Ausbau Fernwärmenetz 85°C dezentral 85°C ab EZF 90-100°C ab EZF und zusätzliche Quellen 26
Zielnetz Ausbau Fernwärme Vom Jahr 2020 ins Jahr 2035 2035 2020 27
Entwicklung des Wärmebedarfs nach Heizungstyp WP-Technik WP-Technik Aufbau Nahwärmeverbünde Zunehmend erneuerbare Gase WKK Ausbau Fernwärme diverse Quellen 28
Simulation Leistungsbedarf Primärenergie
Simulationen (erneuerbarer Anteil Strom + Wärme) 90% in der Stromversorgung 60% in der Wärmeversorgung
Energiezentrale Forsthaus FW-Ausbau weitere Produktion 31
Energiezentrale Forsthaus Zeitplan • 24. Februar 2008 Volksabstimmung Forsthaus West (88% Zustimmung) • Juni 2008 Baubewilligung, März 2009 Baubeginn • 15. Juni 2009 Grundsteinlegung, Dezember 2009 Beginn Bauteil Bau • Februar 2011 Beginn Montage Verfahrenstechnik • Juni 2012 Erstes Feuer HHKW und GuD • Juli 2012 Erstes Feuer KVA • April 2013 Letzte Übernahme (HHKW) • 2018 Baubewilligung Geospeicher – 2020 Erkundungsbohrungen Optimierung • 2019 Einbau Gegendruck Dampfturbine zur Effizienzsteigerung • 2019 Start Ausbau FW - Netz West • 20xx Wärmerückgewinnung aus dem Kamin und Hub auf nutzbares Temperaturniveau 90°C mit WP 32 • ……
Energiezentrale Forsthaus Zusammenspiel der Anlageteile 12 MW Abwärme 270 000 MWh 280 000 MWh Strom Wärme 33
Kehrichtverwertung Technische Daten: Ofentyp: Rostofen mit „Dackelkessel“ Thermische Leistung: 57 MW Dampfproduktion: 70 t/h Dampfdruck: 40 bar Dampftemperatur: 400 °C Feuerraumtemperatur: 1‘100 °C 34 Kehrichtmenge: 16.5 t/h
Holzheizkraftwerk Technische Daten: Ofentyp: Stationäre Wirbelschicht Thermische Leistung: 31 MW Dampfproduktion: 37 t/h Dampfdruck: 60 bar Dampftemperatur: 485 °C Feuerraumtemperatur: 850 °C 35 Brennstoffmenge: 11 t/h
Gas- und Dampf-Kombikraftwerk Technische Daten: Abhitzekessel Gasturbine Hersteller: Bertsch Hersteller: Siemens Thermische Leistung: 66 MW Typ: SGT 800 Dampfdruck: 60 bar / 3 bar Drehzahl: 6‘600 1/min Dampftemperatur: 485 / 150 °C Elektr. Leistung: 46 MW Gasverbrauch: 12‘500 Nm3/h Abgastemperatur: 540 °C 36 Wirkungsgrad GT elektr: 37 %
Produzierte Menge FW total MW ab der EZF 57 MW 31 MW 66 MW 46 MW Installierte Leistung Pth Minimal 75% erneuerbar 37
Pilotprojekt «Geospeicher» Forsthaus
Information der Öffentlichkeit (Oktober 2017) 39
Erdwärmenutzung & Saisonspeicher Wärme Leukerbad Schlattingen Riehen St. Gallen Geospeicher Forsthaus Basel 40
Thermische Speichersysteme Dia 20m Höhe 40m 41 100m x 100m x 7.5m 80m x 80m x 60m (12x5m) ~400’000m3 = 16 GWh ewb Bern
Zusammenfassung der Erkenntnisse: Ø Das Potential von Optimierungen und Ausbau in der FW- Versorgung ist gross. Ø Nur durch einen kompletten restriktiven Umbau des aktuellen Gesamtsystems können die Klimaziele erreicht werden. Ø Mit einem Wärmenetz ist man unabhängig von der Wärmequelle. Ø Als definierte Übergangslösung kann Gas zum Einsatz kommen. Die Unter- stützung durch die Bevölkerung und die Politik ist leider (noch) klein. Ø Neue Wärmenetze und Verbundlösungen können ortsgebundene, niederwertige Abwärme- und Umweltwärme nutzen. Ø Die Zielerreichung und Wirtschaftlichkeit steht im Vordergrund. Ø Der Druck der Bevölkerung zu den Klima- zielen nimmt zu, solange die Kosten OK sind. 42
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fragen?
Energie Wasser Bern Symposium d’ABB «Top of Industry» 21/06/2019 Production et distribution d’énergie Martin Jutzeler, CU 1
Programme • Commande de la ville de Bern à ewb • Importance du changement climatique pour la fourniture d'énergie • Production d’énergie actuelle - Production électrique en Europe et en Suisse - Le potentiel du réseau gazier européen - Production de chaleur locale - Environnement changeant • Stratégie de développement à Bern - Plan directeur Énergie 2035 • La production dans la Centrale énergétique Forsthaus (CEF) - KVA, HHW, GuD - Accumulateur saisonnier 2
Martin Jutzeler, Optimisation des systèmes Energie Wasser Bern, ewb CU Ingénieur machines HTL, NDS Wirtschaft, CAS EPFL GES (Gouverning Energy Transitions) Planification, simulations et optimisation des systèmes Infrastructure et Énergie à partir de dispositifs de production et d’accumulation d’énergie centralisés et décentralisés Remerciements pour les sources: martin.jutzeler@ewb.ch +41 79 832 24 75 • Geothermie Schweiz • OFEV Bern • SVGW • tbf partner • Suisse énergie • ewb en interne • Geo-Energie Suisse • autre
Mir haute Bärn am loufe Nous alimentons Bern en électricité, biogaz, gaz naturel, chauffage de ville, eau ainsi qu’en Internet par fibre optique et promouvons une mobilité économe en énergie. 7 jours/7, 24 heures/24, durablement et en toute sécurité Nous produisons électricité et chaleur à partir de combustibles renouvelables et d’ordures et proposons des solutions énergétiques globales et sur mesure.
Flux d’énergie ewb et la ville de Bern 2017 5
Changement climatique
Écart de température par rapport à la moyenne 7
Changement climatique Réduction de CO2 Observation au plan mondial 8 K. Riahi et al. (2018). “The Shared Socio - Economic Pathways (SSPs): An Overview”, UNFCCC ICONICS.
Changement climatique Réduction des degrés-jours unifiés de chauffage en Suisse 9 HDDs for RCP8.5 climate scenario
Changement climatique Multiplication des degrés-jours unifiés de refroidissement en Suisse 10 HDDs for RCP8.5 climate scenario
Situation actuelle de la production d’énergie Mutation de l’environnement
Production électrique 12
Répartition de la production d’électricité mondiale Juin 2015 13
Le réseau haute tension suisse 14
La production doit-elle toujours centralisée? 15
Exemples Éolien, Solaire, Mixte et Commercialisation 9/12/2018 https://www.electricitymap.org/ La Suisse comme pays de transit 16
Réseau principal de l’alimentation en gaz naturel suisse 17
Production de chaleur locale 18
19
Températures du réseau Quelles sont les températures finales et de réseau adaptées? SVGW-F1 SVGW-F2 Domaine Domaine Pompe à Combustion chaleur et Chaleur Refroidir ambiante 20
Changement du profil de l’utilisateur Énergie finale Domaine Combustion 95% / 5% 200 k ~65°C Wh Domaine Pompe à chaleur? Exemple Areal Hollige 40% / 60% SIA 2040 2000 W WW: 14 W/m2a ~30°C Chaleur: 10 W/m2a (65°C WW) WW: 910 MWh/a 25 k Chaleur: 440 MWh/a Wh Ø Quelle est la bonne température de 21 réseau?
Stratégie et Planification ewb 22
Les principes d’action essentiels ERP 2035 20% Réduction du volume de chaleur 70% Part des sources renouvelables dans la production de chaleur 80% Part des sources renouvelables dans la production d’électricité 23
Plan directeur Énergie 2035 Ville de Bern Gaz Chaleur dégagée Haute qualité 24
Transformation de l’alimentation en chaleur 25
Élargissement planifié du réseau de chauffage de ville 85°C décentralisé 85°C origine CEF 90-100°C origine CEF et autres sources 26
Élargissement du réseau de destination Chauffage de ville De 2020 à 2035 2035 2020 27
Évolution du besoin en chaleur selon le type de chauffage Technique PC Technique PC Élargissement Réseaux de Progression du gaz issus de sources chauffage local CCC renouvelables centralisée Élargissement Chauffage de ville autres sources 28
Simulation Besoin de puissance Énergie primaire
Simulations (Part issue de sources renouvelables Électricité + Chaleur) 90% dans l’alimentation électrique 60% dans l’alimentation en chaleur
Centrale énergétique Élargissement CdV autre production 31
Centrale énergétique Forsthaus Agenda • 24 Février 2008 Votation Forsthaus Ouest (88% de votes pour) Construction • Juin 2008 Permis de construire, Mars 2009 Début de la construction • 15 Juin 2009 Pose de la première pierre, Décembre 2009 Début de l’élément • Février 2011 Début du montage du dispositif de traitement • Juin 2012 Premier foyer HHKW et GuD • Juillet 2012 Premier foyer KVA • Avril 2013 Dernière réception (HHKW) • 2018 Permis de construire Accumulateur géothermique – 2020 Forages de prospection Optimisation • 2019 Montage Turbine à vapeur à contre-pression pour augmentation du rendement • 2019 Lancement Élargissement Réseau CdV Ouest • 20xx Récupération de chaleur à partir de la cheminée et du hub à un niveau de température utile de 90°C avec PC 32 • ……
Centrale énergétique Forsthaus Interaction des composants de l'installation 12 MW Chaleurde l’air évacué 270 000 MWh 280 000 MWh Électricité Chaleur 33
Utilisation des ordures Caractéristiques techniques: Type de four: Four à grille avec chaudière horizontale Performance thermique: 57 MW Production de vapeur: 70 t/h Pression de la vapeur: 40 bar Température de la vapeur: 400°C Température de la chambre de combustion: 1 100°C 34 Volume d’ordures: 16,5 t/h
Centrale à bois Caractéristiques techniques: Type de four: Lit fluidisé stationnaire Performance thermique: 31 MW Production de vapeur: 37 t/h Pression de la vapeur: 60 bar Température de la vapeur: 485°C Température de la chambre de combustion: 850°C 35 Volume de combustible: 11 t/h
Centrale combinée Gaz/Vapeur Caractéristiques techniques: Chaudière de récupération Turbine à gaz Fabricant: Bertsch Fabricant: Siemens Performance thermique: 66 MW Type: SGT 800 Pression de la vapeur: 60 bar/3 bar Vitesse de rotation:6 600 tr/min Température de la vapeur: 485/150°C Puissance électrique: 46 MW Consommation de gaz: 12 500 Nm3/h Température des fumées: 540°C 36 Degré d’efficacité GT électrique: 37%
Volume produit CdV Total en MW à partie de la CEF 57 MW 31 MW 66 MW 46 MW Puissance installée Pth Au moins 75% issue de sources renouvelable s 37
Projet pilote «Accumulateur géothermique» Forsthaus
Information du public (Octobre 2017) 39
Utilisation de l’énergie géothermique & Accumulateur de chaleur saisonnier Leukerbad Schlattingen Riehen St. Gallen Accumulate ur Bâle géothermiqu e Forsthaus 40
Systèmes d’accumulateur thermique Diamètre 20 m 41 Hauteur 40 m 100 x 100 x 7,5 m 80 x 80 x 60 m (12 x 5 m) ~400 000 m3 = 16 GWh ewb Bern
Résumé des résultats: Ø Le potentiel d’optimisation et d’élargissement de l’alimentation en CdV est conséquent. Ø Seule la transformation restrictive et complète du système complet actuel permettra d’atteindre les objectifs climatiques. Ø Un réseau de chauffage permet de devenir indépendant de la source de chaleur. Ø Le gaz peut servir de solution de transition. La population et les politiques ne sont malheureusement pas (encore) vraiment convaincus. Ø Les nouveaux réseaux de chauffage et solutions mixtes peuvent utiliser la chaleur locale de moindre qualité issue de l’air évacué et de l’environnement. Ø La réalisation des objectifs et la rentabilité sont prioritaires. Ø Le soutien de la population vis à vis des objectifs climatiques croît tant que les coûts en restent raisonnables. 42
Je vous remercie de votre attention Avez-vous des questions?
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