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
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
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
Energie Wasser Bern ABB Fachtagung "Top of Industry" 21.06.2019 Energieproduktion und Verteilung Martin Jutzeler, CU
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
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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
Energie Wasser Bern ABB Fachtagung "Top of Industry" 21.06.2019 Energieproduktion und Verteilung Martin Jutzeler, CU
Energieflüsse ewb und Stadt Bern 2017

5
Energie Wasser Bern ABB Fachtagung "Top of Industry" 21.06.2019 Energieproduktion und Verteilung Martin Jutzeler, CU
Veränderung
 des Klimas
Energie Wasser Bern ABB Fachtagung "Top of Industry" 21.06.2019 Energieproduktion und Verteilung Martin Jutzeler, CU
Temperaturabweichung vom Mittel

7
Energie Wasser Bern ABB Fachtagung "Top of Industry" 21.06.2019 Energieproduktion und Verteilung Martin Jutzeler, CU
Veränderung Klima Reduktion CO2 Weltweite Betrachtung

8     K. Riahi et al. (2018). “The Shared Socio - Economic Pathways (SSPs): An Overview”,
      UNFCCC ICONICS.
Energie Wasser Bern ABB Fachtagung "Top of Industry" 21.06.2019 Energieproduktion und Verteilung Martin Jutzeler, CU
Veränderung Klima Reduktion Heizgradtage in der CH

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      HDDs for RCP8.5 climate scenario
Energie Wasser Bern ABB Fachtagung "Top of Industry" 21.06.2019 Energieproduktion und Verteilung Martin Jutzeler, CU
Veränderung Klima Vervielfachung der Kühlgradtage in der CH

10    HDDs for RCP8.5 climate scenario
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

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