Untersuchung der Auswirkungen von Einspeisung erneuerbarer Wärme auf KWK-Wärmenetze in urbanen Quartiersstrukturen

Witte-Humperdinck, Nicolas Engelbert GND

Um die Klimaschutzziele der Bundesregierung zu erreichen sind im Rahmen der Energiewende die CO2-Emissionen besonders in den Sektoren Strom und Wärme durch geeignete Maßnahmen zu reduzieren. Aus diesem Grund liegt der Fokus auf einer Steigerung des Anteils regenerativer, CO2-freier Erzeugungsanlagen an der Energieversorgung. Kann man im Stromsektor bereits auf ein beachtliches Wachstum des Anteils erneuerbarer Energien in der Erzeugung zurückblicken, so stagnieren die Werte im Wärmebereich, obwohl dieser ein hohes Einsparpotenzial aufweist.
Zur Aktivierung der Wärmewende ist eine Vielzahl an Maßnahmen von Nöten. Eine Möglichkeit, erneuerbare Wärme in die Wärmeversorgung dicht besiedelter Stadtgebiete zu integrieren, stellen Wärmenetze dar. Die verlustarme Verteilung über weite Strecken ermöglicht eine verbrauchsferne Erzeugung, wodurch auch Gebiete ohne verfügbare Flächen beispielsweise mit solarthermischer Wärme versorgt werden können. Des Weiteren vereinfachen Wärmenetze die Kopplung der Sektoren Strom und Wärme, da sie durch die Brennstoff- und Erzeugungstechnologieoffenheit verstärkt durch Wärme aus Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) und Power-to-heat-Systeme gespeist werden können. Die fluktuierende, nichtregelbare Erzeugung und Einspeisung erneuerbarer Energien stellt die Netzbetreiber allerdings vor neue Herausforderungen zur Sicherstellung eines stabilen Netzbetriebes.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen der vermehrten Einspeisung erneuerbarer Wärme auf alle weiteren Komponenten eines Energiesystems, welches aus Erzeugungs-, Verteilungs- und Speicherungsinfrastruktur besteht. Erneuerbare Wärmeerzeuger, insbesondere Solarthermieanlagen, sind durch eine fluktuierende, dargebotsabhängige Erzeugung charakterisiert. Aus diesem Grund sind der konventionelle Betrieb sowie bei Neubauprojekten die Auslegung der regelbaren KWK-Anlagen dahingehend anzupassen, dass ein möglichst hoher Anteil erneuerbare Wärme in die Versorgung integriert werden kann, ohne dass es zu wirtschaftlichen Einbußen für den Versorger kommt. Ebenso ist ein effizienter und stabiler Netzbetrieb zur Gewährleistung einer kontinuierlichen Versorgungssicherheit von höchster Priorität. Zu diesem Zweck erfolgt im Rahmen dieser Arbeit die Erarbeitung von zwei Simulationsprogrammen, mit denen zum einen Wärmenetze verschiedenster Größe und Topologie sowie zum anderen regelbare und regenerative Erzeugungsanlagen sowie alle weiteren Komponenten eines Energiesystems zur Betriebssimulation abgebildet werden können.
Die Auswahl von drei geeigneten Simulationsszenarien und aussagekräftigen technischen sowie ökonomischen und ökologischen Kennzahlen ermöglicht neben einer umfassenden Bewertung ebenso die Ableitung von Handlungsmaßnahmen, die eine verstärkte Einbindung der Wärmewende in die Energiewende ermöglichen.

In order to achieve the climate protection goals of the German Federal Government, CO2 emissions, especially in the electricity and heat sectors, must be reduced through appropriate measures within the framework of the energy system transformation. For this reason, the focus is on increasing the share of renewable, CO2-free generation plants in the energy supply. While the electricity sector can already look back on a considerable growth in the share of renewable energies in generation, the figures in the heat sector are stagnating, even though this sector especially entails a high savings potential.
A large number of measures is required in order to activate the energy transition in the heat sector. One way of integrating renewable heat into the heat supply of densely populated urban areas is through heat networks. The low-loss distribution over long distances enables a generation without direct consumption in the immediate vicinity which facilitates the supply with solar thermal heat even in areas without available space. In addition, heat networks simplify the coupling of the electricity and heat sectors. They can be increasingly fed by heat from combined heat and power plants (CHP) and power-to-heat systems due to the openness of fuel and generation technology. However, the fluctuating, non-regulated generation and feed-in of renewable energies presents grid operators with new challenges to ensure stable grid operation.
This dissertation deals with the effects of the increased feed-in of renewable heat on all other components of an energy system consisting of generation, distribution and storage infrastructure. Renewable heat generators, in particular solar thermal systems, are characterized by fluctuating generation. For this reason, conventional operation and, in the case of new construction projects, the design of controllable CHP plants must be adapted in such a way that the highest possible proportion of renewable heat can be integrated into the heat supply without economic losses for the energy supplier. Likewise, an efficient and stable heat network operation to guarantee a continuous supply security is of the highest priority. For this purpose, two simulation programs will be developed in this dissertation, which will be able to map heat grids of various sizes and topologies on the one hand and controllable and regenerative generation plants as well as all other components of an energy system for operational simulation on the other hand.
The selection of three suitable simulation scenarios and meaningful technical as well as economic and ecological key figures enables not only a comprehensive evaluation, but also the derivation of measures, which enable a stronger integration of the heat sector into the energy system transformation.

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Witte-Humperdinck, Nicolas Engelbert: Untersuchung der Auswirkungen von Einspeisung erneuerbarer Wärme auf KWK-Wärmenetze in urbanen Quartiersstrukturen. 2019.

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