Fallstudie: Solares Wärmenetz mit Wärmespeicher

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. Als Wärmequelle wird ein Gebäude gegenüber der Schule vorgesehen.

1. Schritt: Bedarfsanalyse für Wärme, Kälte und Strom

• Raumwärme- und Trinkwarmwasserbedarf:
  • Deckung über Wärmenetz
• Kältebedarf:
  • Deckung von Raumklimatisierung sowie Prozesskälte (z. B. Serverkälte) über separates Kältenetz
• Strombedarf:
  • allgemeine Bedarfe für Nutzerstrom (z. B. für Beleuchtung)
  • Bedarfe für Elektromobilität

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

Mit nPro können die Bedarfsprofile mit wenigen Klicks 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 Solarthermie) genutzt werden sollen.

2. Schritt: Last an Energiezentrale

Nach dem Hinzufügen aller Gebäude zum Quartier können in nPro die Lastverläufe in stündlicher Auflösung dargestellt werden. In den Abbildungen 2 und 3 sind die Bedarfsprofile an der Energiezentrale für Wärme, Kälte und Strom abgebildet.

Abbildung 2: Wärme- und Kältebedarfsprofil an der Energiezentrale. Deutlich zu erkennen sind die zeitweise erhöhten Kältebedarfe im Sommer (hier aufgrund von Serverraumkühlung im Schulgebäude).

Abbildung 3: Strombedarfe des Quartiers: In der Heatmap sind hellere Bereiche zu erkennen, welche auf den Rückgang des Stromverbrauchs der Schule während der Schulferien: Ostern (Ende März bis April), Sommer (Juli bis Mitte August), Herbst (Oktober), Weihnachten (Ende Dezember bis Anfang Januar) zurückzuführen sind.

3. Schritt: Rohrdimensionierung

In nPro können für Wärmenetze die Durchmesser der Rohre automatisch dimensioniert und kartografisch visualisiert werden. In Abbildung 4 ist die kartografische Visualisierung der Gebäudeattribute und der Rohrdimensionierung dargestellt.

Abbildung 4: In nPro lassen sich verschiedene Attribute der Gebäude und des Wärmenetzes kartografisch anzeigen, z.B. der Gesamtwärmebedarf jedes Gebäudes und die Nennweite der einzelnen Rohrabschnitte.

4. Schritt: Auslegung der Energiezentrale

Für das vorliegende Quartier soll eine Wärme- und Kälteversorgung sowie eine Stromversorgung unter anderem durch Solarthermie realisiert werden.

Für die Auslegung wird angenommen, dass an der Energiezentrale zusätzlich ein Anschluss an ein bestehendes Fernwärmenetz zur Grundlastdeckung vorhanden ist. Wärme aus der Solarthermie soll zum einen direkt im Quartier genutzt werden. Gleichzeitig soll überschüssige Wärme in das bestehende Fernwärmenetz eingespeist werden können. Die Wärmeerzeugung aus Solarthermie ist in den Abbildungen 5a bzw. 5b für folgende Ausrichtungen dargestellt:

• 60° (Azimut) mit 103 kWh/m² Ertrag pro Kollektorfläche
• 15° (Azimut) mit 163 kWh/m² Ertrag pro Kollektorfläche

Abbildung 5a: Wärmeerzeugung mittels Solarthermie (60° Azimut) über den Verlauf des Jahres

Abbildung 5b: Wärmeerzeugung mittels Solarthermie (15° Azimut) über den Verlauf des Jahres

In Abbildung 6 ist der Betrieb des von nPro optimierten Energieversorgungssystems abgebildet. Die Kältebedarfe des Kältenetzes werden über Kompressionskältemaschinen gedeckt. Die vorgegebene Solarthermie-Fläche beträgt 3000 m² und entspricht damit der maximal installierbaren Fläche für dieses Quartier. Die Solarthermie-Anlage produziert 247 kWh Wärme pro m² Kollektorfläche und Jahr, was insgesamt 307 MWh ergibt. 15,9 % des Wärmebedarfs im Quartier wird somit über die Solarthermie-Anlage gedeckt, die restlichen 84,1 % über den externen Fernwärme-Anschluss. Der Strom für die Gebäudebedarfe und die Kompressionskältemaschinen wird direkt aus dem Stromnetz bezogen.

Abbildung 6: Optimiertes Energiesystem mit Solarthermie-Anlage und Wärmespeicher

In Abbildung 7 ist der Wärmebezug aus dem externen Fernwärmenetz dargestellt. Es ist zu erkennen, dass im Sommer aufgrund der Solarthermie und des Wärmespeichers nahezu keine Wärme mehr aus dem externen Fernwärmenetz bezogen werden muss.

Abbildung 7: Wärmebezug aus den beiden Quellen über das Jahr. Aufgrund der Solarthermie-Anlage muss im Sommer fast keine Wärme mehr aus dem externen Fernwärmenetz bezogen werden.

Der Betrieb des Wärmespeichers (Abbildung 8) zeigt, dass der Speicher im Sommer in den Nachmittagsstunden beladen wird und in den Abend-/Nachtstunden entladen wird.

Abbildung 8: Betrieb des Wärmespeichers (Entladeleistung): Der Speicher wird vor allem im Sommer genutzt, um überschüssige Wärme aus der Solarthermie in den Abend- und Nachtstunden zu nutzen.

5. Schritt: Wirtschaftlichkeit

nPro ermöglicht eine Analyse der Wirtschaftlichkeit des Energieversorgungssystems. In Abbildung 8 ist die Entwicklung des Kapitalwerts über die Laufzeit des Systems dargestellt. Ein positiver Kapitalwert am Ende der Projektlaufzeit zeigt an, dass die Investition wirtschaftlich ist. Die ökologische Analyse in nPro zeigt zudem, dass die CO₂-Emissionen für dieses Quartier 563 t pro Jahr betragen.

Abbildung 9: Wirtschaftlichkeit visualisiert durch die Entwicklung des Kapitalwerts. Die Amortisationsdauer beträgt hier 15 Jahre.

In nPro können zur automatischen Dimensionierung der Anlagen verschiedene Optimierungsziele gewählt werden:

• Kapitalwert / annualisierte Gesamtkosten
• Mehrzieloptimierung: Kapitalwert und CO₂-Emissionen
• CO₂-Emissionen
• Minimaler Strombezug aus Stromnetz (max. Autarkie)

In dieser Fallstudie wurde als Optimierungsziel der Kapitalwert gesetzt.

Eine Optimierung basierend auf den CO₂-Emissionen würde beispielsweise zu einer deutlichen Vergrößerung der Solarthermie-Anlage führen – bis zum hier festgelegten Maximalwert von 10.000 m². Dadurch würde sich der Anteil der durch Solarthermie gedeckten Wärme über das Jahr hinweg erheblich erhöhen. Dies ist in Abbildung 10 im Vergleich zu Abbildung 7 deutlich erkennbar:

Abbildung 10: Wärmebezug aus den beiden Quellen über das Jahr. Für diesen theoretischen Fall und bei einer Kollektorfläche von insgesamt 10.000 m² könnte der Wärmebedarf zwischen April und September vollständig durch Solarthermie gedeckt werden.

Video-Tutorials

Ausführliche Video-Tutorials zur Berechnung von Quartieren und Wärmenetzen in nPro finden Sie hier: nPro-Tutorials

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