MoNa – Monitoring von Nahwärmenetzen Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Martina Klingele © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 1 MoNa – Monitoring von Nahwärmenetzen Bestandsnetze auf dem Prüfstand Thesen I. Netze sind gewachsene und wachsende Systeme II. Potenziale zur Effizienzsteigerung werden oft nicht erkannt Ziele • Entwicklung einer kostengünstigen Methode für das Monitoring von Nahwärmenetzen • Bewertung lokaler Nahwärmenetze nach Kriterien der Effizienz, Umweltverträglichkeit, Versorgungssicherheit • Identifizierung von typischen Optimierungspotenzialen Gefördert durch: © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 2 Entwicklung an Beispielnetzen Bestandsnetze auf dem Prüfstand • 6 Heißwassernetze • Trassenlänge von 1 bis 12 km • Thermische Leistung von 1 bis 4,5 MW maps.google.de Erzeugertechnologien • Biomasse-, Erdgas- und Heizölkessel • Biogas-, Biomethan-, Palmöl- und Erdgas-BHKWs • Solarthermie und Power-to-Heat © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 3 Entwicklung an Beispielnetzen Bestandsnetze auf dem Prüfstand • 6 Heißwassernetze • Trassenlänge von 1 bis 12 km • Thermische Leistung von 1 bis 4,5 MW • Raum Südostoberbayern Erzeugertechnologien • Biomasse-, Erdgas- und Heizölkessel • Biogas-, Biomethan-, Palmöl- und Erdgas-BHKWs • Solarthermie und Power-to-Heat © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 4 maps.google.de Überblick Netze Bestandsnetze auf dem Prüfstand Netz Installierte thermische Leistung Trassenlänge Eingesetzte Energieträger KWK A 4,4 MW 3,2 km Hackschnitzel, Erdöl Nein B 3,7 MW 7,4 km Hackschnitzel, Erdöl Nein C 1,7 MW 1,6 km Hackschnitzel, Erdöl, Erdgas, Solarthermie Nein D 2,2 MW 1 km Hackschnitzel, Palmöl, Erdöl Ja E 4,0 MW 11,4 km Erdgas, Biomethan, Biogas, Powerto-Heat Ja F 1,5 MW 2,8 km Erdgas, Biogas Ja © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 5 Zeitverlauf Vorgehen © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 6 Methodenentwicklung Standardisiertes, kostengünstiges Monitoring © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 7 Kriterienkatalog Vorgehen © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 8 Bilanzierung Vorgehen © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 9 Messkonzept: Erfüllung der Anforderungen Netze A Messpunkte Datenaufzeichnung Monitoring/ Analyse + + + + + o o + o + + + o o + o + o B C D E F Überwachung der Bestandsnetze meist unzureichend © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 10 Methodenentwicklung Software MoniSoft • Verwaltung der Daten • Validierung und Handling der Daten • Visualisierung der Daten • Automatisierung von Analysen • Eventbasierte Auswertung © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 11 Ergebnisse der Analysen 2,00 Primärenergieverbrauch pro Wärmeabnahme 1,50 Ohne KWK Mit KWK Primärenergiefaktor im Jahresverlauf Primärenergiefaktor 1,00 0,50 A 0,00 B -0,50 C -1,00 -1,50 D E F -2,00 1,50 Primärenergiefaktor 1,00 0,50 0,00 Q3-14 Analyse/Interpretation Q4-14 • Klassische Holzheizwerke erreichen Werte um 0,35 Q1-15 -0,50 Q2-15 • KWK kann rechnerisch Werte kleiner Null erreichen • Fossile Spitzenlastkessel beeinflussen Ergebnis oft wesentlich -1,00 -1,50 A B C D E F • Faktoren von KWK-Netzen variieren je nach Einsatz des Spitzenlastkessels © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 12 Ergebnisse der Analysen %-Punkte Verlust pro Kilometer Trassenlänge Nutzungsgrad der Verteilung Ergebnisse Abgenommene zu eingespeister Wärme Nutzungsgrad der Verteilung im Jahresverlauf 100% 35% 30% 25% 20% B 15% C 10% D 5% E 0% 95% 90% 85% 80% A 75% B Analyse/ Interpretation 70% C 65% D 60% E • Hoher Nutzungsgrad korreliert nicht unbedingt mit der Trassenlänge 55% F 50% A Faktoren sind Dämmung und Alter der Leitungen, Temperaturniveau sowie Abnahmeliniendichte © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 13 F Ergebnisse der Analysen Nutzungsgrade ausgewählter Erzeuger Effizienz der Erzeuger • Mittlerer Nutzungsgrad der gleichen Erzeugertypen • nicht zu verwechseln mit Wirkungsgrad oder Norm-Nutzungsgrad • Betrachtungszeitraum Monitoringperiode Analyse/ Interpretation • Streuung bei Biomassekesseln gering 79% bis 84% Solarthernie BHKWs • Streuung bei BHKWs groß 73% bis 87% Biomasse Fossile Kessel 0% 20% 40% 60% 80% 100% • Differenz Norm-Nutzungsgrad zu Realbedingungen bei fossilen Kesseln am Größten Mittlerer Nutzungsgrad © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 14 Ergebnisse der Analysen Hilfsstromfaktor 8% 7% 6% Hilfsstromfaktor Stromeinsatz pro Wärmeabnahme • benötigte Hilfsenergie für Betrieb des Netzes, • bezogen auf die abgenommene Wärmemenge 5% A 4% B C 3% D 2% E 4,50% F 1% 4,00% 0% Hilfsstromfaktor 3,50% 3,00% Q3-14 2,50% Q4-14 2,00% Q1-15 1,50% Q2-15 Analyse/ Interpretation • Im Winter ähnlich • Im Sommer stark schwankend, je nach Erzeugertechnologie und Abnahme 1,00% 0,50% 0,00% A B C D E F • Biomasseheizwerke und dezentrale Einspeiser brauchen in der Regel mehr Strom © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 15 Ergebnisse der Analysen Wärmeabnahme bezogen auf die Trassenlänge • Bundesdurchschnitt Fernwärme 4000 kWh/m·a • Empfehlung C.A.R.M.E.N. e.V.: mindestens 1500 kWh/m·a bei Neubau Wärmeabnahmeliniendichte in kWh/m 3500 Wärmeabnahme, normiert Wärmeabnahmeliniendichte 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Mittelwert A=54% B=50% C=55% D=72% E=55% F=65% 3000 2500 Analyse/ Interpretation • Abnahmedichte im ländlichen Bereich eher gering 2000 1500 • Mögliche Verbesserung des Lastverlaufs durch Sonderkunden (Freibad, Trocknungsanlagen,…) 1000 • Sommerbedarf liegt bei 10-20% des Maximalbedarfs 500 0 A B C D E F © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 16 Ergebnisse der Analysen Weitere Kriterien Auszug: • CO2-Emissionen als spezifische Größe bezogen auf abgenommene Wärmemenge • Regionalität der eingesetzten Energieträger nach Entfernung 140,0 120,0 100,0 Q3-14 80,0 Q4-14 60,0 Q1-15 Q2-15 40,0 20,0 Regionalität der Energieträger CO2-Emissionen in kg/MWh 100% 90% 80% 70% 60% Fern (>500 km) 50% Mittel 40% Nah (<50 km) 30% 20% 10% 0% 0,0 A B C D E F A B © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 17 C D E F Optimierungspotenziale Ermittlung durch • Effizienz-Benchmarking • strukturierte Analyse und Auswertung • direkten Vergleich unter den Netzen • dynamische Betrachtung Ableitung eines standardisierten, effizienten und effektiven Vorgehens zur Analyse und Auswertung von Monitoringdaten Kategorien der Potenziale •Dimensionierung •Komponentenalterung •Anfällige Komponenten •Regelung und Dynamik •Netztemperaturen •Festbrennstoffe © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 18 Optimierungspotenziale Einordnung der Optimierungspotenziale © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 19 Optimierungspotenziale: Dimensionierung 60% Überdimensionierung • Förderung der Schlackebildung durch kompakten Glutstock • Erhöhte Verluste durch Warmhaltebetrieb anteiligen Stromverbrauch 1700 Leistung in kW Biomassekessel • Sommerbetrieb taktend Modulierungsgrenze 425 Stunden im Jahr 1700 Wärmeleistung in kW 100% Modulierungsgrenze . 425 1 Sommertag (24 Stunden) Erzeugerauslegung sorgfältig vornehmen Bei Austausch alter Kessel bedarfsgerechte Größe wählen © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 20 Optimierungspotenziale: Dimensionierung Unterdimensionierung Biomassekessel • Wärmebedarf kann nur zu geringem Teil von Haupterzeuger geliefert werden Erzeugerauslegung sorgfältig vornehmen Bei Austausch alter Kessel bedarfsgerechte Größe wählen © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 21 Optimierungspotenziale: Komponentenalterung Veraltete Pumpen: • Nassläuferpumpen aus den 80er Jahren • Sehr geringe Wirkungsgrade Wärmeübergabestationen • Schnittstelle zwischen Kunden und Versorger • Ersatz von direkten durch indirekte Wärmeübergabestationen Dämmung • Nicht, oder nur schlecht gedämmte Rohre, Armaturen oder Wärmeerzeuger Einsatz von frequenzgeregelten Pumpen Indirekte Wärmeübergabestationen bevorzugen Nachrüstung von notwendiger Dämmung © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 22 Optimierungspotenziale: Anfällige Komponenten • Hohe Ausfallzeiten • Vermehrter Einsatz fossiler Ressourcen • Ausfall oder verminderte Leistung: Netz 1: 27% Netz 2: 0,3% Referenzen des Anlagenherstellers prüfen Gegebenenfalls Austausch © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 23 Optimierungspotenziale: Regelung und Dynamik Schwingender Biomassekessel Taktendes BHKW Regelung des Kessels überprüfen Betrieb in Teillast oder modulierend regeln Pufferspeicher gezielt einsetzen, um Schwingen zu reduzieren Pufferspeicher gezielt einsetzen © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 24 Optimierungspotenziale: Regelung und Dynamik Netzpumpen und Differenzdruck • Einsatz ungeregelter Netzpumpen 2 Tage Einsatz von frequenzgeregelten Pumpen Abstimmung der Rücklaufbegrenzer © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 25 Optimierungspotenziale: Regelung und Dynamik Puffermanagement T [°C ] • Obere Puffertemperatur überwiegend niedriger als Netzvorlauftemperatur • Gefahr der Temperatursenkung des Vorlaufs durch Beimischung 85°C 80°C 75°C 70°C 65°C T [°C ] 2 Tage 85°C Puffereinbindung prüfen 80°C Puffer-Regelung anpassen 70°C 60°C 1 Jahr © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 26 Optimierungspotenziale: Regelung und Dynamik Dezentrale Einspeisung • Mehrere Erzeuger an verschiedenen Stellen im Wärmenetz verteilt 80°C • Gleichzeitiger Einsatz kann zu Schwingen oder Takten führen • Dezentrale Netzpumpen müssen erhöhten Differenzdruck leisten 60°C • Gefahr von „Hot-Spots“ September 2014 Priorisierung und Einsatzreihenfolge der Erzeuger klar definieren Überschneidung von Regelparametern vermeiden © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 27 Optimierungspotenziale: Netztemperaturen Vorlauftemperatur Bedarfsgerechte Vorlauftemperaturanhebung Temperatureinbrüche im Winter 90°C 87°C 80°C 77°C 65°C 55°C 2 Tage © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 28 3 Tage Optimierungspotenziale: Netztemperaturen Rücklauftemperatur Netz 2 • Überwiegend unterhalb von 60°C Netz 1 • Überwiegend oberhalb von 60°C T 10% 30% 50% 70% 90% T 70°C 70°C 60°C 60°C 10% 30% 5830 Stunden © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 29 50% 5830 Stunden 70% 90% Optimierungspotenziale: Netztemperaturen Hohe Rücklauftemperatur Folgen für BHKWs Notabschaltung bei Rücklauf größer 70°C Wärmeleistung 70°C Mehrere Stunden © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 30 Optimierungspotenziale: Netztemperaturen Rücklauftemperatur Musterbeispiel • Rücklaufbegrenzung • Moderne, indirekte Wärmeübergabestationen Hydraulische Trennung von Abnehmer und Netz • Dialog mit Wärmekunden Finden von Schlechtpunkten Verkalkte Armaturen oder Wärmeübertrager Gezielte Rücklauftemperaturabsenkung Senkung der Netzverluste Senkung des Stromverbrauchs der Netzpumpe © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 31 Optimierungspotenziale: Festbrennstoffe Auszug: • Sehr variabler Brennstoff Landschaftspflegematerial ~2 kWh/kg Waldhackgut, frisch ~2,6 kWh/kg Altholz ~4 kWh/kg Technisch getrocknete Hackschnitzel ~4,9 kWh/kg • Feuchtes Material nur mit Verlusten lagerfähig • Variable Qualität der Feuerung Teils sehr viel Schlacke Sehr selten unverbrannt © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 32 Resümee Nahwärme als Vorteil Fachvorträge: • Hoher Anteil an regenerativen Energieträgern • C.A.R.M.E.N.e.V., Innovative Nahwärmekonzepte im ländlichen Raum (2x) Im Mittel mehr als 50% aus erneuerbaren Energieträgern Deutscher Durchschnitt: 9,9% (2014) • Sehr gute Primärenergieeffizienz (Bundesdurchschnitt: 0,36) • Einige Optimierungspotenziale waren den Netzbetreibern bereits bekannt • Monitoring teilweise heute schon ins Tagesgeschäft integriert • BBE, Fachkongress Holzenergie (RENEXPO) Tagungsbeitrag: • OTTI e.V., Forschungskolloquium Bioenergie Zeitungsartikel: • Landwirtschaftliches Wochenblatt, • OVB Lokalblatt Fachzeitschrift: • Euro Heat&Power (Heft 12/15) © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 33 Zusammenfassung • Ausgangsthesen konnten bestätigt werden • Potenziale zur Effizienzsteigerung konnten aufgezeigt werden • Viele Potenziale erst durch systematisches Monitoring erkennbar Weiterentwicklung… Leitfaden für das Monitoring von Nahwärmenetzen © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 34 MoNa-Nachfolgeprojekt • Ausweitung des Projektes auf 15 – 20 Nahwärmenetze • Raum Bayern oder Alpenraum • Kooperation mit weiteren Partnern • Weitere Standardisierung der Methode … Teilnehmer gesucht! In Zukunft… Kostengünstiges Monitoring als Standard für Nahwärmenetze © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 35 Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Dominikus Bücker Hochschule Rosenheim Hochschulstr. 1 83024 Rosenheim [email protected] Tel.: 08031-805-2652 © Prof. Dr. Dominikus Bücker, Peter Jell, Rafael Botsch, Dr. Martina Klingele – 15. Dezember 2015, Seite 36
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