nPro: Online-Tool für die Simulation und Planung von Wärmenetzen
Die Wärmeplanung und Wärmenetzberechnung nimmt für die Dekarbonisierung von Quartieren eine zentrale Rolle ein. Geeignete Online-Tools helfen dabei, Potentiale und Wirtschaftlichkeit von Wärmenetzlösungen abzuschätzen und unterstützen so den Planungsprozess.
Software-Tools im Überblick
In diesem Artikel wird der Anwendungsbereich folgender Berechnungsprogramme im Kontext der Wärmenetzplanung erläutert:
sowie weitere Tools zur dynamischen Simulation von Wärmenetzen.
Programme und Tools zur Potentialanalyse und Wärmebedarfsdichte
Bei der Entwicklung eines neuen Wärmenetzes gibt es eine lange Kette von Planungsschritten, bei denen unterschiedliche Software-Tools zum Einsatz kommen. Zu Beginn der Planung steht in der Regel eine Potentialanalyse und Bedarfsanalyse. Hierbei wird mit Wärmekarten untersucht, in welchen Gebieten eine hohe Wärmebedarfsdichte vorliegt. Ein bekanntes Tool ist hierfür Hotmaps. Aus der Bedarfsdichte lassen sich Abschätzungen zur Wirtschaftlichkeit eines Wärmenetzes ableiten. Zu beachten ist jedoch, dass bei neuen Netzkonzepten, wie beispielsweise kalter Nahwärme, die Wärmebedarfsdichte nicht mehr die entscheidende Größe darstellt. Eine hohe Wärmebedarfsdichte zeigt an, dass pro Meter Wärmenetztrasse eine hohe Wärmemenge abgenommen wird und dass die Wärmeverluste im Netz verglichen mit der Wärmeabnahme gering sind. In diesen Fällen kann sich ein konventionelles Wärmenetz lohnen. Bei kalten Nahwärmenetzen ist es jedoch so, dass sie gar keine Wärmeverluste mehr aufweisen. Im Gegenteil: Die Netztemperaturen werden oftmals unterhalb der Erdbodentemperatur gehalten, sodass Wärmegewinne aus dem Erdreich in die Rohrleitung auftreten. Konsequent zu Ende gedacht bedeutet dies, dass sich kalte Nahwärme auch bei Quartieren wirtschaftlich sein kann, die nur eine sehr geringe Wärmebedarfsdichte aufweisen. Für kalte Nahwärme gilt daher, je geringer die Wärmebedarfsdichte, desto höher die relativen Wärmegewinne bezogen auf die Wärmeabnahme. Gleichwohl steigen die Investitionskosten eines Wärmenetzes mit abnehmender Wärmebedarfsdichte an, sodass auch für kalte Nahwärme ein Optimum der Wärmebedarfsdichte existiert. Dieses Optimum liegt aber bei einer deutlich geringeren Wärmebedarfsdichte als bei konventionellen Wärmenetzen. Neben der Wärmebedarfsdichte ist auch das Angebot von lokalen Wärme- und Abwärmequellen ein entscheidender Faktor für die Wirtschaftlichkeit eines Wärmenetzes.
Web-Tools zur Wärmenetzplanung
Wenn entschieden ist, in welchem Gebiet ein Wärmenetz entstehen soll, können erste Überlegungen zum Trassenverlauf und zur konkreten Erschließung von Wärmequellen angestellt werden. Es muss ein Energiekonzept entwickelt werden und die Wirtschaftlichkeit muss überschlagen werden. Hierzu eignen sich Tools, welche es ermöglichen, mehrere Systemkonfigurationen mit wenig Arbeitsaufwand zu vergleichen und dabei auch eine Wirtschaftlichkeitsanalyse umfassen. Für Heizkraftwerke mit Kessel, BHKWs und Pufferspeicher kann beispielsweise das Tool Sophena verwendet werden.
Für jede Energiesystemsimulation sind Bedarfsprofile notwendig. Diese sind Grundlage für die Dimensionierung und sollten daher sorgfältig für jedes Quartier individuell erstellt werden. Zur Berechnung von Bedarfsprofilen eignet sich das nPro-Tool: nPro ermöglicht die Erstellung von maßgeschneiderten Bedarfsprofilen mit wenigen Klicks und umfasst Raumwärme, Trinkwarmwasser, Raumklimatisierung, Prozesskälte, Nutzerstrom und Elektromobilität. Grundsätzlich problematisch sind sehr spezifische Bedarfsprofile, beispielsweise von Industriebetrieben. Ein weiteres Tool für die Vorplanung von Wärmenetzen ist Thermos, welches in einem bereits abgeschlossenen EU-Forschungsprojekt entwickelt worden ist.
Berechnungsprogramme zur dynamischen Wärmenetzsimulation und Rohrdimensionierung
Wenn der Trassenverlauf konkretisiert wurde und wirtschaftlich tragbare Konzepte zur Wärmeversorgung des Wärmenetzes vorliegen, kann ein digitaler Zwilling des Quartiers bzw. zumindest des Wärmenetzes erstellt werden. Dieser ist im wesentlich ein detailliertes Simulationsmodell der Wärmeversorgung, welcher Aufschluss über die Dimensionierung des Wärmenetzes (Rohrdurchmesser) gibt. Gerade für komplexe Wärmenetze, wie bidirektionale kalte Nahwärmenetze, ist es wichtig, den Betrieb für mindestens ein typisches Auslegungsjahr abzubilden. Auf diese Weise können die dynamischen Druck- und Temperaturverhältnisse im Netz analysiert werden und frühzeitig Änderungen bei der Wärmenetzplanung vorgenommen werden. Neben Rohrdurchmessern betrifft dies auch die Verlegetiefe oder die Qualität der Wärmedämmung. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Software-Tools, die bei der Auslegung des Wärmenetzes genutzt werden können. Um eine erste Abschätzung des Rohrdurchmessers zu erhalten, ist in nPro eine Funktion zur halb-automatisierten Rohrdurchmesser-Dimensionierung vorhanden. Andere Softwaretools sind Modellierungsframeworks wie TRNSYS oder Modelica, welche jedoch im Regelfall für Wärmenetzplaner zu komplex sind. Darüber hinaus gibt es Software-Tools wie STANET, EcNetz oder THENA (Thermal Network Analysis): STANET ist zur thermo-hydraulischen Simulation von Rohrnetzen verschiedenen Typs geeignet. EcNetz ist ein Programm zur Berechnung von Strömungs- und Temperaturverhältnissen in Rohrnetzen mit beliebiger Topologie und kann sowohl kompressible wie auch inkompressible Medien simulieren. THENA ist ein Excel-basiertes Berechnungstool und kann für eine grobe technische und wirtschaftliche Abschätzung von Wärmenetzen genutzt werden.
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