Dienstag, 28. Juni 2022

Forschung:
Kempen wird zum Reallabor


[3.9.2019] Eine Blaupause für intelligente Wärmenetze soll im Rahmen des Forschungsprojekts BestHeatNet entstehen. Erprobt wird das Konzept in einem Neubau-Quartier in der Stadt Kempen.

Die im Bau befindliche Wärmezentrale für das Baugebiet „Auf dem Zanger“ in Kempen, kurz bevor der 50 Kubikmeter fassende Wärmespeicher durch das Dach ins Innere gehoben wurde. Die Wärmeversorgung der Zukunft wird sich ebenso wie die Stromversorgung durch einen steigenden Anteil regenerativer Energien auszeichnen. Aufgrund der Fluktuation erneuerbarer Energien wegen wechselnder Wetterverhältnisse ist eine hohe Flexibilität gefragt. Diese wird im Forschungsprojekt BestHeatNet erprobt, welches das Zentrum für Innovative Energiesysteme (ZIES) an der Hochschule Düsseldorf (HSD) gemeinsam mit den Stadtwerken Kempen gestartet hat. Die Wärmeversorgung für das bereits im Bau befindliche Quartier „Auf dem Zanger“ in der nordrhein-westfälischen Stadt Kempen mit rund 130 Wohneinheiten wird hierfür für fünf Jahre zum Reallabor.

Multivariantes System

Solarthermie, Power to Heat durch eine Elektrowärmepumpe mit Erdsonde und Elektroheizstab, eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK), ein Spitzenlastkessel sowie eine Photovoltaikanlage mit Batterie produzieren zukünftig die benötigte Wärme und den Strom aus unterschiedlichen Energiequellen. Der Anteil an erneuerbaren Energien aus lokaler Produktion soll rund 30 Prozent betragen und ließe sich durch den Bezug von Biogas und Ökostrom weiter steigern.
Der Vorteil des multivarianten Systems aus den Power-to-Heat-Geräten (Erdwärmepumpe und Heizstab), dem zentralen Wärmespeicher und dem KWK-Modul liegt in der Kopplung des Strom- und Wärmemarkts und der damit verbundenen zusätzlichen Flexibilitätsoption für den Strommarkt (Strom verbrauchen oder produzieren). Ein Zusammenspiel dieser Wärmeerzeuger befähigt das Nahwärmesystem, neben Umweltschonung und Wirtschaftlichkeit auch die Netzdienlichkeit in eine umfassende Betriebsoptimierung einzubeziehen. Das aus Erzeugern mit unterschiedlichen Energiequellen – Sonne, Graustrom, Ökostrom, selbst produzierter Strom, Erdgas und Biogas – bestehende Nahwärmesystem kann flexibel auf sich verändernde energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen, wie beispielsweise Strommarktsituationen (hohe, niedrige, negative Strompreise), Netzbedingungen (hohe, niedrige Auslastung des Stromnetzes) und andere Faktoren (Sonneneinstrahlung, Außentemperaturen, Wärmebedarf der Kunden) reagieren.

Selbstlernende Steuerung

Neben einer direkten Einspeisung der Wärmeerzeuger in das Nahwärmenetz besteht auch die Möglichkeit eines multivarianten Energietransfers zwischen den Erzeugern. So hat die Wärmepumpe Zugriff auf den Solarwärmespeicher als Wärmequelle (Steigerung der solaren Gewinne), und es ist eine direkte Nutzung des in der KWK- oder Photovoltaikanlage produzierten Stroms zum Antrieb der Wärmepumpe oder des Heizstabs möglich.
Ein entsprechend komplexes Wärmeversorgungssystem benötigt zur Hebung der maximalen Kostenminderungs-, CO2-Minderungs- und Netzdienlichkeitspotenziale ein geeignetes Regel- und Steuerungssystem. Dieses soll so ausgestaltet werden, dass mittels Messwerten aus der Anlage und Kurzzeitprognosewerten für externe Größen wie Wetter, Strom- und Gaspreis sowie Wärmelast jederzeit die kosten- und/oder energieeffizienteste Betriebsstrategie gefahren wird. Dafür wird das Nahwärmesystem mit entsprechender Mess- und Steuerungstechnik ausgestattet, wodurch es flexibel auf unterschiedliche Markt-, Netz- und Bedarfsanforderungen reagieren kann.
Da die Randbedingungen während der Lebensdauer des Systems kontinuierlichen Änderungen ausgesetzt sind, soll die Regelung selbstlernend sein und gleichzeitig über ein Überwachungs- und Priorisierungssystem für den Betreiber verfügen. Selbstlernende Algorithmen analysieren beispielsweise, zu welchen Zeiten typischerweise an den einzelnen Tagen der Woche Wärme benötigt wird. Das System erkennt die Gewohnheiten und hebt bei Bedarf zum Beispiel die Netztemperaturen rechtzeitig an. Es greift auf Wetterprognosen zu und kann dadurch die solare Wärmeproduktion stundengenau vorhersagen. Es ermöglicht somit auch genaue Vorhersagen des Gas- und Stromverbrauchs für kurz- und mittelfristige Zeiträume und befähigt so den Betreiber, erfolgreich am Day-Ahead- oder sogar Intraday-Handel teilzunehmen.

Neuronale Netze im Vorteil

Selbstlernende Systeme können besonders gut durch nicht-parametrische Metamodelle wie künstliche neuronale Netze abgebildet werden. Diese weisen bei der Auswertung einen deutlichen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber den sonst eingesetzten detaillierten Systemsimulationen oder anderen Lösungsansätzen auf.
Die Schnelligkeit künstlicher neuronaler Netze begünstigt auch den Einsatz von sonst rechenintensiven Optimierungsalgorithmen (Partikelschwarmoptimierung, genetische Optimierer) zur Ermittlung der optimalen Regelungs- und Einsatzparameter in Form von Paretofronten, ohne vorherige Gewichtung der oft divergierenden Bewertungskriterien für Energieeffizienz, Kosten und Systemdienlichkeit. Diese Paretofronten beinhalten das ganze Spektrum vom energieeffizientesten bis hin zum wirtschaftlichsten Betrieb der Anlage. Der Betreiber kann fortlaufend entscheiden – je nach aktueller Priorisierung von Ökologie und Ökonomie.

Haus- und Wohnungsstationen anpassen

Zur weiteren Effizienzsteigerung des Wärmenetzes und zur Umsetzung eines Niedertemperaturnetzes mit möglichst geringen Vor- und Rücklauftemperaturen und somit Wärmeverlusten bedarf es verbraucherseitig angepasster Haus- oder Wohnungsstationen. Dabei gilt es, vor allem die Trinkwarmwasserbereitung und -zirkulation in den Blick zu nehmen, da bei gut wärmegeschützten Neubauten heizseitig witterungsabhängig nur geringe Temperaturen benötigt werden. Neben den klassischen gebäudeweisen Stationen mit Warmwasserzirkulation sollen deshalb in den Mehrfamilienhäusern wohnungsweise Stationen ohne Zirkulation, ohne Zirkulation und mit elektrischer Nachheizung sowie ein innovatives Konzept einer zentralen, gebäudeweisen Übergabestation mit Speicher und Warmwasserzirkulation untersucht und verglichen werden.
Das intelligente Nahwärmenetz „Auf dem Zanger“ dient als Blaupause für zukünftige Wärmenetze in Kempen. Aktuell finden die Erschließung des Baugebiets und der Bau der Heizzentrale statt. Die Planungen sehen einen Abschluss der Bauarbeiten an der Heizzentrale bis Ende dieses Jahres und erste Wärmelieferungen an Kunden Anfang/Mitte 2020 vor.

Prof. Dr. Mario Adam / Jonas Gottschald

Prof. Dr. Mario Adam, Jonas Gottschald
Dr. Mario Adam ist seit dem Jahr 1998 Professor an der Hochschule Düsseldorf und Leiter der Arbeitsgruppe E² – Erneuerbare Energien und Energieeffizienz. Adam ist Mitgründer des interdisziplinären In-LUST Instituts für lebenswerte und umweltgerechte Stadtentwicklung und leitet seit 2017 das ZIES – Zentrum für Innovative Energiesysteme. Jonas Gottschald war von 2011 bis 2017 wissenschaftlicher Mitarbeiter der Arbeitsgruppe E², seit 2017 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am ZIES.

https://zies.hs-duesseldorf.de
Dieser Beitrag ist in der Ausgabe Juli/August von stadt+werk im Schwerpunkt Wärmeversorgung erschienen. Hier können Sie ein Exemplar bestellen oder die Zeitschrift abonnieren. (Deep Link)

Stichwörter: Wärmeversorgung, Forschung

Bildquelle: Stadtwerke Kempen

Druckversion    PDF     Link mailen


Weitere Meldungen und Beiträge aus dem Bereich Wärmeversorgung

BDEW: Sparsamerer Umgang mit Energie
[14.6.2022] In Deutschland gehen die Haushalte sparsamer mit Energie um. Dies zeigt jetzt eine repräsentative Umfrage des Bundesverbands der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) zum Energiesparen in der Wärmeversorgung. mehr...
Aufgrund gestiegener Energiepreise gehen die Deutschen sparsamer mit Energie um.
Gimbweiler: Klimaneutrale Gemeinde
[10.6.2022] Das Nahwärmeversorgungsnetz der Gemeinde Gimbweiler in Rheinland-Pfalz wird zu 100 Prozent mit erneuerbaren Energien betrieben. Die Weichen für den Weg der Gemeinde zur Klimaneutralität wurden bereits um die Jahrtausendwende gestellt. mehr...
Doppelt verlegt: Das Nahwärmenetz wird als Zweileiternetz ausgeführt. Es gibt eine Vorlaufleitung für heißes Wasser und eine Rücklaufleitung für abgekühltes Wasser.
Krefeld: Neuer Wärmespeicher
[1.6.2022] In Krefeld bauen die Stadtwerke (SWK) jetzt einen Wärmespeicher. Indem Erzeugung und Verbrauch von Wärme entkoppelt werden, können bis zu 10.000 Tonnen CO2 pro Jahr eingespart werden. mehr...
In Krefeld bauen die Stadtwerke einen Wärmespeicher.
Wedel: Einbau von Elektrokesseln gestartet
[24.5.2022] Für die im schleswig-holsteinischen Wedel entstehende Power-to-Heat-Anlage (P2H) wurden jetzt zwei Elektrokessel angeliefert. Die Anlage wird künftig Windstrom in erneuerbare Wärme zum Heizen umwandeln. mehr...
Grüne Fernwärme: AGFW-Netzwerk Hessen gestartet
[20.5.2022] In Hessen hat die AGFW ein Netzwerk für grüne Fernwärme gestartet. Zudem haben sich mehrere sächsische Kommunen für Fernwärme entschieden. mehr...
Start des AGFW-Netzwerks Grüne Fernwärme in Hessen.

Suchen...

 Anzeige



Aktuelle Information des Verlags


In Zeiten der Corona-Pandemie werden wir aktuelle Ausgaben von stadt+werk allen Interessierten bis auf weiteres kostenfrei digital zur Verfügung stellen. Weisen Sie bitte auch Ihre Kolleginnen und Kollegen im Homeoffice auf diese Möglichkeit hin.

Wenn Sie stadt+werk auch künftig regelmäßig als Print- und Digitalausgabe erhalten möchten, freuen wir uns über ein Abonnement.

stadt+werk, Ausgabe 5/6 2022
stadt+werk, Ausgabe 3/4 2022
stadt+werk, Ausgabe 1/2 2022
stadt+werk, Ausgabe 11/12 2021

Aboverwaltung


Abbonement kuendigen

Abbonement kuendigen
Ausgewählte Anbieter aus dem Bereich Wärmeversorgung:
Trianel GmbH
52070 Aachen
Trianel GmbH
Savosolar GmbH
22761 Hamburg
Savosolar GmbH

Aktuelle Meldungen