ENTWICKLUNG VON ZUKUNFTSFÄHIGEN VERSORGUNGSSTRATEGIEN FÜR FERNWÄRMENETZE - TOOLS UND METHODEN - ENINNOV2018, 15. SYMPOSIUM ENERGIEINNOVATION ...
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Entwicklung von zukunftsfähigen Versorgungsstrategien für Fernwärmenetze – Tools und Methoden EnInnov2018, 15. Symposium Energieinnovation, 14.-16.2.2018, Graz Ralf-Roman SCHMIDT, Steffen ROBBI, Rene HOFMANN, Martin KOLLER, Roman GEYER, Daniele BASCIOTTI
INHALT • Die Dekarbonisierung der Fernwärme • Transformationsstrategien für Wärmenetze • Methodik • Das Fallbeispiel Chemnitz • Zusammenfassung
DIE DEKARBONISIERUNG DER FERNWÄRME Eine erfolgreiche Dekarbonisierung des Energiesystems erfordert auch eine „Wärmewende“, Wärmenetze ermöglichen hierbei die effiziente Integration von Solar-/ Geothermie, Umweltwärme und Abwärme sowie die Sicherung der Systemstabilität durch Sektorenkopplung
TRANSFORMATIONSSTRATEGIEN FÜR
WÄRMENETZE
Die Randbedingungen, Einflussparameter, Entscheidungs-
kriterien und Stakeholder vieler Wärmenetze sind sehr
individuell, entsprechend ist die Entscheidungsfindung für neue
Erzeugungstechnologien komplex und bedarf einer
transparenten und konsistenten Herangehensweise
4
METHODIK
Entwicklung von Wärmeversorgungskonzepten für Fernwärmenetze im
Zieldreieck Versorgungssicherheit, Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit
1. Analyse der 2. Entwicklung 3. Entscheidung
Rand- von Technologie- zum finalen
bedingungen szenarien Konzept
a) Charakteristika der
a) Abstimmung der
Erzeugungsanlagen/ a) Auswahl unterschiedlicher
Bewertungskriterien und
Potentiale alternativer Varianten (Erzeugung/Netz)
des Zeithorizonts
Wärmequellen b) SWOT-Analyse
b) Status-Quo Bewertung und
b) Berechnung der c) Muli -Kriterien-Bewertung
Szenarien
Wärmegestehungskosten d) Übergangsszenarien und
c) Analyse der energie- und
c) Entwicklung von Maßnahmenplan für die
klimapolitischen
Erzeugerportfolios ausgewählte Variante
Rahmenbedingungen
d) Sensitivitätsanalyse
Ralf-Roman Schmidt: Entwicklung von zukunftsfähigen Versorgungsstrategien
für Fernwärmenetze – Tools und Methoden,
EnInnov2018, 15. Symposium Energieinnovation, 14.-16.2.2018, Graz1. ANALYSE DER RANDBEDINGUNGEN a) Abstimmung der Bewertungskriterien und des Zeithorizonts b) Status-Quo Bewertung und Szenarien c) Analyse energie- und klimapolitischer Rahmenbedingungen
ERSTELLUNG VON WÄRMEBEDARFSSZENARIEN
Zum Beispiel: Nutzung von 3D Stadtmodellen zur Gebäudesimulation
Agugiaro, Giorgio; Hauer, Stefan; Nadler,
Florian, Coupling of CityGML-based
Semantic City Models with Energy
Simulation Tools: some Experiences, REAL
CORP 2015
Alternative: Nutzung von Wärmekatastern oder pauschalen
Szenarien bzgl. Sanierung und Neuanschlüssen
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EnInnov2018, 15. Symposium Energieinnovation, 14.-16.2.2018, GrazPROGNOSE DER STROMPREISE
Zum Beispiel: Nutzung von Fundamentalmodellen
Eingangs- und Ausgangsdaten des Ergebnis: Strompreisprognosen
Strompreissimulationsmodells für 2020, 2030, 2040 …
Input
•stündlich:
Last, Wind, PV, Hydro
Zuflüsse, ...
•Kraftwerksdaten:
Kapazität, Lastgradient, Markt Model
minimales Level, Output
Emissionen, Effizienz, ... Minimierung der
gesamten Strompreise,
•Leitungsdaten (AC, DC, Model Kraftwerkseinsatz,
Erzeugungs-
NTC, ...) Kosten,
kosten lösen
•Primärenergie-preise, Hydroerzeugung,
CO2 Zertifikatspreise s.t. technische mit Importe/Exporte,
Nebenbe- Gurobi- Lastflüsse,
dingungen Solver Speicherlevel, etc.
Model EDisOn = Electricity Dispatch Optimization:
Lineares Optimierungs Problem der TU Wien, EEG
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für Fernwärmenetze – Tools und Methoden,
EnInnov2018, 15. Symposium Energieinnovation, 14.-16.2.2018, Graz2. ENTWICKLUNG VON TECHNOLOGIESZENARIEN a) Charakteristika der Erzeugungsanlagen/ Potentiale alternativer Wärmequellen b) Berechnung Wärmegestehungskosten c) Entwicklung von Erzeugerportfolios d) Sensitivitätsanalyse
POTENTIALE ALTERNATIVER
WÄRMEQUELLEN – BEISPIEL ABWÄRME
Quelle: Loibl W.; Stollnberger, R.; Österreicher D.:
Waste-heat re-use from commercial sources in
urban environments – identification of potentials
and as sessment of supply-demand matches, a
Beispiel Wien Vienna case study, WSEAS TRANSACTIONS on
ENVIRONMENT and DEVELOPMENT, E-ISSN:
2224-3496, Volume 12, 2016
http://www.wseas.org/multimedia/journals/environ
• Top-down:
ment/2016/a485815-066.pdf
Nutzung
verfügbarer
GIS- und
Firmendaten
• Bottom-up:
Interviews
und
Begehungen
in relevanten
Betrieben
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EnInnov2018, 15. Symposium Energieinnovation, 14.-16.2.2018, GrazBERECHNUNG DER WÄRMEGESTEHUNGSKOSTEN
Gas-KWK (BHKWs/ GuD …)
Wärmegestehungskosten
- - Große Wärmepumpen
- Gaskessel - Solarthermie
- Biomasse KWK - Ersatzbrennstoff
in €/MWh
Volllaststunden
Die Berechnungen basierend auf:
- Investitions- und Betriebskosten,
- (mittleren) Strom- und Brennstoffpreise,
- Steuern und Förderungen,
- Potentiale bzw. Wirkungsgrade…
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für Fernwärmenetze – Tools und Methoden,
EnInnov2018, 15. Symposium Energieinnovation, 14.-16.2.2018, GrazENTWICKLUNG VON ERZEUGERPORTFOLIOS
• Grobauswahl der Erzeugungsanlagen
(Art, Anzahl und Kapazität) mittels
Kapazität in kW
Jahresdauerlinie
• Auswahl der Anlagen erfolgt von unten
(Grundlast) nach oben (Spitzenlast),
hierbei ist der (n-1)-Fall zu beachten
• Schnelle Berechnung ermöglicht weite
Parametervariationen:
Kapazität in kW
• Mittlere Energiepreise
• Wärmebedarf
• Regulative Rahmenbedingungen
Kurzzeitige Fluktuationen des
Wärmebedarfs und der Strompreise Vollaststunden
werden nicht berücksichtigt!
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EnInnov2018, 15. Symposium Energieinnovation, 14.-16.2.2018, GrazSENSITIVITÄTSANALYSE
• Für den optimalen Einsatz von KWK- und
power-to-heat Anlagen ist die Betrachtung
der stündlichen Strompreiskurven
notwendig.
• Nutzung einer Einsatz- bzw. Betriebs-
optimierung, Berücksichtigung von
• Strom- und Brennstoffpreisen,
• Anfahr- und Wartungskosten,
• CO2-Zertifikate
• Verbrauchs- und Wetterdaten
• Sensitivitätsanalyse
• insbesondere für Strom- und
Brennstoffpreise sowie Wärmebedarf
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EnInnov2018, 15. Symposium Energieinnovation, 14.-16.2.2018, Graz3. ENTSCHEIDUNG ZUM FINALEN KONZEPT a) Auswahl unterschiedlicher Varianten (Erzeugung/Netz) b) SWOT-Analyse c) Multi-Kriterien-Bewertung d) Übergangsszenarien und Maßnahmenplan
AUSWAHL UNTERSCHIEDLICHER
VARIANTEN (ERZEUGUNG/NETZ)
Optionen
Zentrale/ dezentrale Erzeugungs
-anlagen
Systeme, Inselnetze, Optionen
hydraulische Wärmenetz
Beschränkungen …
Bewertungs-
kriterien
Kompatibilitätsprüfung und
Variantenerstellung V1, V2, … Vn
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EnInnov2018, 15. Symposium Energieinnovation, 14.-16.2.2018, GrazSWOT ANALYSE RELEVANTER TECHNOLOGIEN
Beispiel:
Strengths Solarthermie Weaknesses
Strengths
Strengths Weaknesses
Weaknesses
Strengths
Small running costs and no risks Weaknesses High specific investment costs SWOT Analyse
Small
SehrSmall running
geringe costs
laufende and no
Kosten risks
HoheHighspez.
specific investment costs
Investitionskosten durchgeführt für:
No CO2 emissionsrunning costs and no risks Competition to investment
High specific costs
base load supply • Bestandsanlagen
und NoInvestitionsrisiken
CO2 emissions Konkurrenz
Competition to base load supply
Local Long
No technology
CO2 emissions Competitionzu Grundlast-
to base • Erdgas als Brennstoff
suppliers term storages not load supply
Local
Keine technology suppliers Long term storages not • gasbasierte KWK als
CO2technology
Local Emissionensuppliers erzeugern
economically viable not
Long term storages Technologie
Regionale Wertschöpfung economically viable
Langzeitspeicher • GuD
economically in Städten
viable • BHKWs
aufgrund lokaler Zulieferer schwierig umsetzbar • Gas-Kessel
Opportunities Threats • Biomasse HHKW
Opportunities
Opportunities Threats
By trend decreasing temperature Threats
Opportunities Threats
Collectors can be damaged (e.g. • Ersatzbrennstoff
By trend
Tendenziell decreasing temperature Collectorsanfällig
can be für
damaged (e.g.
By trend sinkende
decreasing
levels in the network temperature Kollektoren
natural disasters) damaged (e.g.
Collectors can be
levels in the network natural disasters)
Netztemperaturen
levels infor
Subsidies therenewables
network Beschädigungen
natural
Long disasters)
payback times reduce
Subsidies for renewables Long payback timesreduzieren
reduce
attraktive
SubsidiesFinanzierungsmodelle
for renewables
Increasing need for reducing CO2 Lange
LongPaybackzeiten
payback
flexibility times reduce
fürIncreasing need for reducing CO2 dieflexibility
ökologische
Increasing need Erzeugung
for reducing CO2 Flexibilität
flexibility
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EnInnov2018, 15. Symposium Energieinnovation, 14.-16.2.2018, GrazMULTI-KRITERIEN-BEWERTUNG
4,0
Variante 1
Variante 2
Variante 3
Variante 4
Variante 5
Skalierung Punkte: 1 = schlechtester Wert --> 4 =
bester Wert
3,5
Gewichtung Punkte (auf 0,5 gerundet)
wirtschaftliche 3,0
Kriterien Kriterium 1
100% - - - - - 2,5
Gewichtung Punkte (auf 0,5 gerundet)
Kriterium 2
ökologische 2,0
Kriterien
100% - - - - - 1,5
Kriterium 3
Gewichtung Punkte
1,0
technische
Kriterien Kriterium 4
100% - - - - -
0,5
Gewichtung Punkte
0,0
sonstige Kriterien Variante Variante Variante Variante Variante
100% - - - - - 1 2 13 4 5
Gesamtbewertung Gewichtung
Wirtschaftliche Kriterien
Ökologische Kriterien
Technische Kriterien
Sonstige Kriterien
Gesamtpunktzahl 100% 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
Auswahl der
Rang 1 1 1 1 1 Vorzugsvariante
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für Fernwärmenetze – Tools und Methoden,
EnInnov2018, 15. Symposium Energieinnovation, 14.-16.2.2018, GrazÜBERGANGSSZENARIEN FÜR DIE
AUSGEWÄHLTE VARIANTE
Integration neuer Erzeugungsanlagen
n-1
Installierte Kapazität
Ausfallsicherheit
Minimal
benötigte
Kapazität
Zeit in Jahren
Auslaufen der existierenden Erzeugungsanlagen
+ Einwicklung eines Maßnahmenplans
• Detailstudien,
• Genehmigungen,
• Ausschreibungsverfahren
• …
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EnInnov2018, 15. Symposium Energieinnovation, 14.-16.2.2018, GrazDAS FALLBEISPIEL CHEMNITZ
Einer der wichtigsten Energieträger im Fernwärmenetz Chemnitz
ist derzeit Braunkohle. Aufgrund der hohen CO2 Emissionen und
dem hohem Alter der Anlagen war die Entwicklung einer
Zukunftsstrategie notwendig. Die eins energie Sachsen wurde
hierbei unterstützt von der GEF Ingenieur AG und dem AIT*
* die konkreten Ergebnisse unterliegen der Vertraulichkeit
und können hier nicht dargestellt werden
19CHEMNITZ IN DEN MEDIEN
https://www.tag24.de/nachrichten/chemnitz-
muellverbrennung-umweltschutz-naherholungs-gebiet-
zeisigwald-stadtrat-rathaus-242594
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EnInnov2018, 15. Symposium Energieinnovation, 14.-16.2.2018, GrazCHEMNITZ IN DEN MEDIEN
Chemnitzer Energieversorger
will aus Braunkohle aussteigen
Freitag, 04.08.2017
Der sächsische Strom- und Wärmeerzeuger Eins Energie aus
Chemnitz will von 2028 an keine Braunkohle mehr verfeuern.
Das Unternehmen werde in den kommenden zwölf Jahren aus der
Braunkohle aussteigen, sagte der Vorsitzende der
Geschäftsführung, Roland Warner. Er begründete das damit, dass
die Anlage 2028 abgeschrieben sein wird. „Ich gehe davon aus,
dass es keine Verlängerung geben wird“, sagte Warner. Für die
Wärme- und Stromerzeugung verbrennt der Energieversorger nach
eigenen Angaben pro Jahr eine Million Tonnen Braunkohle. Diese
Zahl sei seit Jahren konstant, sagte ein Unternehmenssprecher am
Freitag. Schon seit geraumer Zeit würden Experten an einem
neuen Versorgungskonzept arbeiten. Unabhängig von dem
Ergebnis werde man seine Versorgungspflicht erfüllen, betonte der
https://www.tag24.de/nachrichten/chemnitz-
Sprecher.
muellverbrennung-umweltschutz-naherholungs-gebiet- http://www.focus.de/regional/chemnitz/energie-chemnitzer-
zeisigwald-stadtrat-rathaus-242594 energieversorger-will-aus-braunkohle-aussteigen_id_7437328.html
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EnInnov2018, 15. Symposium Energieinnovation, 14.-16.2.2018, GrazBARRIEREN FÜR ERNEUERBARE
ENERGIETRÄGER IN DER FERNWÄRME
• suboptimale regulative/ steuerliche Anreize,
• hohe Strompreise (insbesondere in der Prognose),
• hohe Netztemperaturen,
• unsichere Potentiale von Umgebungs- und Abwärmequellen,
• Konkurrenz der Wärmequellen untereinander im Sommer
(Saisonalspeicher sind zwar verfügbar, aber für urbane Fernwärmenetze
Investitionskostenintensiv und somit mit einem hohen Risiko behaftet)
Fossile Erzeugung im
Winter
Leistung
Solarthermie?
Industrielle Abwärme?
Geothermie?
Wärmepumpen?
Müllverbrennung?
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Monate
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EnInnov2018, 15. Symposium Energieinnovation, 14.-16.2.2018, GrazZUSAMMENFASSUNG I/II
Wärmenetze bieten wichtige Optionen zur Integration
erneuerbarer Energieträger und können wesentlich zur
Sicherung der Systemstabilität beitragen (Sektorenkopplung)
Die Transformationen der Wärmenetze unterliegt individuellen
Randbedingungen, die Entscheidungsfindung für neue
Erzeugungstechnologien ist komplex
23ZUSAMMENFASSUNG II/II Die vorgestellte mehrstufige Herangehensweise erlaubt eine klare Entscheidungsfindung, durch die transparenten Darstellung von Zwischenergebnissen können wichtige Stakeholder intensiv eingebunden werden. Die Verwendung von unterschiedlichen Simulationstools und Parametervariationen ermöglicht eine hohe Robustheit der Ergebnisse.
VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT! Dr.-Ing. Ralf-Roman Schmidt AIT Austrian Institute of Technology GmbH Giefinggasse 2 | 1210 Vienna | Austria T +43(0) 50550-6695 | M +43(0) 664 235 19 01 | F +43(0) 50550-6679 Ralf-Roman.Schmidt@ait.ac.at | http://www.ait.ac.at
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