In dieser Fallstudie wird ein Quartier mit Wärme- und Kältenetz teilweise mittels Wasserstoff-Technologien versorgt. Der gesamte Planungsprozess kann im nPro-Tool durchgeführt werden: Von der Bedarfsberechnung über die Rohrdimensionierung bis hin zur Auslegung der Wärme- und Kälteerzeuger in der Energiezentrale.

Quartier

Es wird eine Energieversorgung für ein beispielhaftes Quartier mit 39 Gebäuden geplant. Das Quartier umfasst eine Schule und mehrere gemischt genutzte Wohngebäude mit Einzelhandel. Als Standort des Quartiers wird Aachen (Deutschland) angenommen.

Abbildung 1: Quartier mit 39 zu versorgenden Gebäuden. Die Energiezentrale befindet sich in einem Gebäude gegenüber der Schule (rot hervorgehoben).

1. Schritt: Bedarfsanalyse für Wärme, Kälte und Strom

Gebäudestandard:

Bestand/Altbau

Wärmequelle/Energiezentrale:

Fernwärme
Abwärme aus einem Wasserstoff-Elektrolyseur

Raumwärme- und Trinkwarmwasserbedarf:
- Deckung aus dem Nahwärmenetz
Kältebedarf:
- Deckung von Raumklimatisierung sowie Prozesskälte (z. B. Serverkälte) über separates Kältenetz (4-Leiter-System)
Strombedarf:
- allgemeine Bedarfe für Nutzerstrom (z. B. für Beleuchtung)
- Bedarfe für Elektromobilität

Mit wenigen Klicks können in nPro die Bedarfsprofile für jedes der 39 Gebäude erstellt werden. Jahresprofile mit stündlicher Auflösung sind für die Berechnung des Quartiers von großer Wichtigkeit, da zeit- und saisonabhängige erneuerbare Quellen (hier Photovoltaik) genutzt werden sollen.

Tabelle 1: Gebäudeübersicht des zu versorgenden Quartiers als Excel-Export aus nPro

In nPro lassen sich verschiedene Wärme-, Kälte- und Strombedarfe individuell für jedes Gebäude definieren, unter anderem Nutzerstrom, Elektromobilität oder Klimatisierung für z.B. Serverräume.

Einstellung der Energiebedarfe für individuelle Gebäude

Abbildung 2: Definition von Energiebedarfen für ein Schulgebäude, hier für Ladestationen von Elektroautos auf dem Gelände der Schule

2. Schritt: Last an Energiezentrale

Nach dem Hinzufügen aller Gebäude zum Quartier können in nPro die Lastverläufe in stündlicher Auflösung dargestellt werden. In Abbildung 3 und 4 sind die Jahresprofile der Wärme- und Kälteeinspeisung an der Energiezentrale abgebildet. Diese umfassen die Energiebedarfe der Gebäude, die Wärmeverluste der Rohrleitungen und entstehende Gleichzeitigkeitsfaktoren.

Abbildung 3: Wärme- und Kältebedarfsprofil an der Energiezentrale. Deutlich zu erkennen sind die zeitweise erhöhten Kältebedarfe im Sommer (hier aufgrund von Serverraumkühlung im Schulgebäude)

Abbildung 4: Wärmebedarf an der Energiezentrale dargestellt als Heatmap

3. Schritt: Rohrdimensionierung

In nPro können für Wärmenetze die Durchmesser der Rohre automatisch dimensioniert und auf einer Kartendarstellung visualisiert werden. Das Ergebnis der Netzauslegung ist in Abbildung 5 dargestellt.

Rohrdurchmesser für das Nahwärmenetz mit Wasserstoff-Versorgung

Abbildung 5: Rohrdurchmesser

4. Schritt: Auslegung der Energiezentrale

Für das vorliegende Quartier soll eine Wärme- und Kälteversorgung sowie eine Stromversorgung unter anderem durch Wasserstoff-Technologien realisiert werden.
Für die Auslegung wird ein 3-MW-Anschluss an ein bestehendes Fernwärmenetz angenommen. Die restliche Wärme soll über einen Elektrolyse-Prozess gedeckt werden. Der zu installierende Elektrolyseur erzeugt aus überschüssigem PV-Strom Wasserstoff, welcher in das Gasnetz eingespeist wird. Die entstehende Abwärme wird in das Wärmenetz eingespeist. Die PV-Stromerzeugung ist in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6: Erzeugung von PV-Strom über den Verlauf des Jahres

In Abbildung 7 ist der Betrieb des von nPro optimierten Energieversorgungssystems abgebildet. Die Kältelasten werden über Kompressionskältemaschinen abgedeckt.
Die Stromversorgung des Quartiers setzt sich aus einem Anteil von 62,4 % aus dem Stromnetz und 37,6 % erneuerbarer Stromerzeugung, ausschließlich durch Photovoltaik (PV), zusammen. Die installierte PV-Anlagenkapazität mit einer Kollektorfläche von 21.671 m² deckt den Energiebedarf des Quartiers zu 33 % autark, wobei 81,8 % des erzeugten Stroms vor Ort genutzt werden.

Optimiertes Energiesystem mit Elektrolyseur und PV-Anlage

Abbildung 7: Wasserstoff-Einspeisung im Jahresverlauf

Die Wärmebereitstellung wird zu 62,5 % durch den Elektrolyseprozess abgedeckt, während 37,5 % über Fernwärme bezogen werden. Die Fernwärme hat einen spezifischen CO₂-Emissionsfaktor von 150 g/kWh.

Abbildung 8: Wärmebereitstellung durch Elektrolyse und Fernwärmebezug im Jahresverlauf

Die Kältelasten des Quartiers werden zu 100 % durch Kompressionskältemaschinen gedeckt, wobei deren jährlicher Energiebedarf 152 MWh beträgt.

Energieverbrauch zur Deckung des Kältebedarfs im Jahresverlauf

Abbildung 9: Deckung des Kältebedarfs im Jahresverlauf

Ein zentraler Bestandteil des Systems ist die Wasserstoff-Einspeisung, bei der überschüssige PV-Erzeugung verwendet wird. Hier werden jährlich 5.279 MWh Wasserstoff (159 t) mit einer maximalen Einspeiseleistung von 777 kW in das Gasnetz eingespeist.

Abbildung 10: Wasserstoff-Einspeisung über den Verlauf des Jahres

Der Primärenergiebedarf beläuft sich auf 11.145 MWh, wobei der größte Anteil (10.607 MWh) durch den Strombezug aus dem Netz entsteht.
Die CO₂-Emissionen für das Quartier betragen insgesamt 2.197 t pro Jahr. Davon entfallen 2.063 t auf den Strombezug, 135 t auf den Fernwärmebezug, während die Wasserstofferzeugung emissionsfrei erfolgt. Mit nPro können spezifische Emissionsziele definiert und das Energiesystem daraufhin optimal ausgelegt werden.

Tabellarische Aufschlüsselung der Ergebnisse

Abbildung 11: Tabellarische Aufschlüsselung der ökologischen Ergebnisse

5. Schritt: Wirtschaftlichkeit

Eine Jahresbilanz und die wirtschaftliche Kennzahlen lassen sich in nPro gemäß der VDI 2067 berechnen und übersichtlich visualisieren. Diese umfassen unter anderem die Amortisationsdauer, den Kapitalwert, den internen Zinsfuß und die Wärmegestehungskosten. Dadurch wird Entscheidungsträgern eine transparente Bewertung der Wirtschaftlichkeit des Energiesystems ermöglicht.