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Kurztitel: DELFIN (Decentralized Feed-In)
Förderkennzeichen: 03ET1358A, 03ET1358B, 03ET1358C
Status: Laufend
Laufzeit: 01/2016 bis 12/2018
Themen: Dezentrale Energieerzeugung, Wärmenetze & Kältenetze, Energiespeicherung, Betriebsführung & Energiemanagement, Solare Wärme, Modellierung & Simulation
Standort: Stresemannallee 30, 60596 Frankfurt am Main
Innovation: Modellbasierte Methoden zur Vorhersage der Wirkungen dezentraler Einbindung von Solarthermie und anderen volatilen Wärmeerzeugern auf Betriebsführung und Komponenten bestehender Fernwärmesysteme

Quintessenz

  • Über ein sogenanntes Functional Mock-up Interface (FMI) gekoppelte Simulationswerkzeuge erlauben die verbesserte Prognose der Auswirkungen einer Integration dezentraler, volatiler Energiequellen auf ein Wärmenetz
  • Neue Software-Bausteine helfen, die dezentralen Wärmeerzeuger für Netzplanung und Netzbetrieb zu berücksichtigen
  • Mit Simulationen von beispielhaften Fernwärmenetzen werden die Ist-Situation sowie Varianten eines zunehmenden erneuerbaren Anteils untersucht und deren Wirkung auf den Netzbetrieb abgeschätzt

In diesem Projekt wollen Forscher herausfinden, wie sich eine zunehmende Anzahl dezentraler Wärmeerzeuger auf die Netzhydraulik und die thermische Wechselbeanspruchung bestehender Fernwärmenetze auswirkt und ob Wärmespeicher nachzurüsten sind. Auf der Grundlage statistischer und modellbasierter Methoden werden Softwaremodule entwickelt. Damit können volatile Wärmequellen in der Netzplanung und im Netzbetrieb besser berücksichtigt werden.

Projektkontext

Im Zuge der Energiewende haben sich die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für die Fernwärme geändert. Nach Expertenprognosen kommt ihr insbesondere im urbanen Raum eine wichtige Aufgabe zur Sicherstellung der Wärmeversorgung zu. Vermehrt entstehen Ideen, dezentrale Wärmequellen in Fernwärmenetze einzubinden. Doch derzeit existieren für die Planung und Bewertung volatiler, dezentral erzeugter Anteile in der Fernwärme - z. B. aus Solarthermie, Wärme aus BHKW und Power-to-heat-Anlagen - lediglich erste Planungswerkzeuge.

Mit dem Vorläuferprojekt „Dezentrale Einspeisung in Nah- und Fernwärmesysteme unter besonderer Berücksichtigung der Solarthermie“ (DEZENTRAL) wurden Grundlagen erarbeitet, die nun vertieft mit Fragestellungen der Praxis verknüpft werden. Dabei geht es vor allem um die Auswirkungen der Integration von Solarthermie und anderen volatilen Wärmeerzeugern auf die Betriebsführung und die Komponenten bestehender Fernwärmesysteme. Entsprechende Vorhersage-Methoden sind bislang noch nicht ausgereift.

Mit zeit- und ortsaufgelösten Simulationen beispielhafter Fernwärmenetze untersuchen die Forscher die Ist-Situation und Varianten eines stufenweise zunehmenden erneuerbaren Anteils im Netz. Dies geschieht in Zusammenarbeit mit Fernwärmeunternehmen, Wissenschaftlern und kommerziellen Softwareanbietern.

Fiktives Fernwärmenetz mit bestehender zentraler KWK-Erzeugerstruktur und unterschiedlichen Standorten für dezentrale Wärmeerzeuger.

© AGFW

Forschungsfokus

Das wesentliche Ziel des Projekts DELFIN ist die Erarbeitung von Werkzeugen, die die Veränderung der thermohydraulischen Verhältnisse in Fernwärmenetzen durch Einbindung volatiler dezentraler Wärmeerzeuger in geeigneten Simulationsumgebungen vorausberechnen und Hinweise hierzu geben können. Dabei sollen sowohl die Wirkungen auf den existierenden Erzeugerpark und die Komponenten – z. B. Umwälzpumpen, Druckhaltung, Rohrleitungen - als auch die Effekte verschiedener Speicherstandorte realitätsnah widergespiegelt werden.

Vereinfachte Darstellung Bilanzraum Fernwärmenetz und untersuchte Technikvariationen

© TU Dresden, GEWV

Zentrale Idee und Ansatz

Um das Forschungsziel zu erreichen, werden in einem ersten Schritt volatile Erzeuger modelliert und simuliert. Die so entstandenen Modelle und Profile charakterisieren die zeitliche Veränderlichkeit von für die Praxis wichtigen Größen. Dazu zählen beispielsweise Massenstrom und Temperatur der ins Fernwärmenetz eingespeisten Wärme. Anschließend werden diese neuen Erzeugermodelle und -profile in verschiedene Simulationsmodelle für Fernwärmenetze eingebunden. Dadurch sollen die heutigen und künftigen Auswirkungen von zunehmend dezentraler Wärmebereitstellung bewertet werden.

Anhand realer Fernwärmenetze im Bestand wird abschließend die Wirkung der zunehmenden Dezentralisierung der Wärmeerzeugung für verschiedene Klimabedingungen untersucht. Über gezielte Simulationsstudien können die (primär)energetischen Wirkungen und die technischen Grenzbedingungen identifiziert und sinnvolle Speicherintegrationen ermittelt werden. Die Untersuchung umfasst somit auch eine Bewertung des Einflusses dezentraler Wärmeerzeuger auf die Systemeffizienz und soll zusätzlich Hinweise zum Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Wärmenetze geben.

Beispiele für Simulationsergebnisse 2,2 MW-Sekundärnetz

© TU Dresden, GEWV

Einsatzzweck und Zielsetzung

Einsatzgebiet Planung von Fernwärmenetzen, Ausbau- und Betriebsführungsstrategien
Perspektiven Im Anschluss an das Projekt bietet sich prinzipiell die Möglichkeit, die Projektergebnisse anhand von Praxisfällen zu testen und weiter zu verfeinern.
Modellierung & Simulation Es werden Fernwärmenetze mit einer zunehmenden Anzahl volatiler, dezentraler Wärmeerzeuger orts- und zeitaufgelöst thermohydraulisch simuliert.
Wirtschaftlichkeitsanalysen Simulationsergebnisse bilden eine Basis für die Bilanzierung der Veränderungen hinsichtlich Energiebedarf (End- und Primärenergie) und CO2-Emissionen sowie laufender Betriebskosten.

Erprobung und Anwendung

Die zum Einsatz kommenden Simulationstools und Modelle sind für die Ist-Situation weitestgehend in der Praxis erprobt bzw. mit Praxisdaten getestet worden. Ein unabhängiger Projektkreis aus der Praxis stellt sicher, dass bei der Erweiterung um die dezentrale Wärmeeinbindung praktische Aspekte Eingang in die Projektbearbeitung finden. Die Ergebnisse des Forschungsprojekts können anschließend von Wärmenetzbetreibern auf ihre Situation übertragen und angewendet werden. Ausgewählte Softwarebausteine stehen kostenfrei zur Verfügung.

Anwendungsreifes Produkt oder Verfahren

Anwendungsbedingungen, Möglichkeiten Die Projektergebnisse ermöglichen es Anbietern von Fernwärmenetz-Simulationssoftware, volatile Wärmeerzeuger bzw. Einbindeprofile in ihren Simulationen zu berücksichtigen.
Die Projektergebnisse informieren die Fernwärmebranche und die Politik über nötige Randbedingungen und zu erwartende Effekte einer technisch möglichen und ökologisch sinnvollen dezentralen Einbindung volatiler Wärmeerzeuger in Wärmenetze.
Bezugsadresse/Download Das Projekt ist aktuell in Bearbeitung. Die Ergebnisse werden voraussichtlich 2019 veröffentlicht.

Letzte Aktualisierung: 9. August 2017

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