Da die Welt auf eine nachhaltigere Zukunft zusteuert, war der Bedarf an effizienten und umweltfreundlichen Heizlösungen noch nie so groß wie heute. Fernwärmesysteme haben sich als vielversprechende Option zur Reduzierung der Kohlenstoffemissionen und zur effizienten Wärmeversorgung erwiesen. In diesem Blogbeitrag fasse ich die wichtigsten Ergebnisse meiner Doktorarbeit über die automatische Planung und Entwicklung von Fernwärmesystemen der 4. und 5.
Verständnis von Fernwärmesystemen
Fernwärmesysteme versorgen Gebäude über Rohrnetze in der Stadt mit zentraler Wärme. Traditionell wurden diese Systeme überwiegend mit fossilen Brennstoffen betrieben, was zu erheblichen Treibhausgasemissionen führte. Das Aufkommen erneuerbarer Energiequellen und technologischer Innovationen hat jedoch den Weg für nachhaltigere Heizlösungen geebnet.
Abbildung 1: Fallstudie des Stadtteils Hengstdal in Nijmegen, Niederlande
Es wurden mehrere Szenarien durchgeführt, um die Auswirkungen des künftigen Wärmebedarfs auf die Kosten für den Netzausbau zu bewerten. Comsof Heat. Wenn der Raumwärmebedarf in der Zukunft um 50 % gesenkt wird, sinken die Netzausbaukosten um 9 % bzw. 16 %, mit und ohne Berücksichtigung des Warmwasserbedarfs. Dies zeigt, wie schwierig es für künftige Fernwärmenetze wäre, rentabel zu bleiben und gleichzeitig den Wärmebedarf zu senken, und wir argumentieren, dass dafür dichtere Gebiete erforderlich wären. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass die Kosten für die Verlegung von Gräben ein dominierender Faktor bei den Gesamtkosten für die Errichtung von Fernwärmenetzen sind. Um die Kosten für die Verlegung von Gräben zu senken, wird empfohlen, die Bauarbeiten mit anderen Infrastrukturleistungen wie Abwasser, Gas und Straßen zu kombinieren.
Optimierung der thermischen Energiespeicherung
Die thermische Energiespeicherung ist ein integraler Bestandteil von Fernwärmesystemen der vierten Generation und entscheidend für die Überbrückung der Kluft zwischen Angebot und Nachfrage. Die Modelle für die thermische Energiespeicherung für zentrale und dezentrale Speicher werden entwickelt und in Comsof Heat integriert. Die Auswirkungen zentraler und dezentraler Speicher auf die Gesamtnetzkosten eines Fernwärmenetzes werden mit Hilfe einer Fallstudie unter Comsof Heat untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Gesamtnetzkosten im Falle zentraler Netze um bis zu 4 % und im Falle dezentraler Speicher um bis zu 7 % gesenkt werden können.
Die Ergebnisse zeigen, dass die optimale Speichergröße in Abhängigkeit von der Speicherverteilung und den Kostenkonfigurationen variiert. In dieser Studie steigt die maximale Netzkostenreduzierung bei einer Verteilung des Speichers auf 7 und 10 Standorte an, sinkt jedoch mit fortschreitender Verteilung. Dies zeigt, dass es einen perfekten Standort für die Verteilung des Speichers gibt. Ab diesem Punkt ist eine Verteilung nicht mehr rentabel. Die ideale Speicherverteilung liegt in dieser Fallstudie zwischen sieben und zehn Standorten. Die Studie unterstreicht, wie wichtig es ist, den idealen Standort und die ideale Größe des Speichers zu finden, um die Kostenreduzierung zu maximieren.
Comsof Heat kann nun verschiedene Speicheroptionen, wie z. B. zentralisierte oder verteilte Speicherung, bewerten, um die optimale Größe, den optimalen Standort und die optimale Konfiguration zu ermitteln. Comsof Heat ermöglicht es den Entwicklern, die Auswirkungen verschiedener Speicherszenarien auf die Gesamtkosten und die Leistung des Netzwerks zu analysieren und so eine effiziente Ressourcennutzung sicherzustellen.
Abbildung 2: Fallstudie des Stadtzentrums von Kortrijk mit zentraler und dezentraler Speicherung
Bedeutung der Integration mehrerer Quellen
Die Integration mehrerer Quellen ist der Schlüssel zur Dekarbonisierung, da die erneuerbaren Energiequellen zumeist verteilt sind. Es wird eine automatisierte Entwurfsmethode zur Erstellung von verzweigten DH-Netzen mit mehreren Quellen entwickelt und in Comsof Heat integriert. Es wurde auch ein Algorithmus zur Quellenauswahl implementiert, der die Quellen nach bestimmten Kriterien auswählt, falls mehr Quellen als erforderlich vorhanden sind. Unter Verwendung dieses Algorithmus wurde eine Fallstudie entwickelt, um die Auswirkungen der Auswahl verschiedener Energiequellen auf die Investitionskosten, die Energieerzeugungskosten, die Kohlenstoffkosten und die Emissionen zu untersuchen. Es zeigt sich, dass kohlenstoffarme Energiequellen wie Wärmepumpen durch die Kostenoptimierung nicht begünstigt werden, es sei denn, die Kohlenstoffkosten werden deutlich erhöht. Die Untersuchung unterstreicht die Notwendigkeit höherer Kohlenstoffkosten, um die Nutzung kohlenstoffarmer Energiequellen in Warmwassernetzen zu fördern.
Abbildung 3: Fallstudie des Stadtzentrums von Kortrijk mit mehreren Energiequellen
Netztopologie: Ring oder Verzweigung
Die Gestaltung der optimalen Netztopologie ist eine weitere Herausforderung in Fernwärmesystemen. Die Ringkonfiguration bietet zwar Vorteile wie Redundanz, Flexibilität und Integration von Prosumern, verursacht aber im Vergleich zur verzweigten Topologie höhere Gesamtkosten für den Netzaufbau. Im Rahmen der Dissertation wird ein automatisiertes Verfahren zur Planung von DH-Netzen in Ringform entwickelt. Anhand einer Fallstudie wurde festgestellt, dass die Gesamtkosten für den Netzaufbau bei der Ringtopologie etwa 10 % höher sind als bei einem verzweigten Netz. Vergleicht man die Transportschicht (in der der Ring vorhanden ist: siehe Abbildung 4), so sind die Gesamtkosten für den Netzaufbau bei der Ringtopologie um 75 % höher als bei dem verzweigten Netz.
Die Ergebnisse können je nach Netzdesign, festgelegten Kostenparametern und Rohrgrößen variieren. Das entwickelte Entwurfswerkzeug kann jedoch problemlos verwendet werden, um Einblicke in verschiedene Netztopologien, wie z. B. Ring- oder Verzweigungskonfigurationen, und die damit verbundenen Kosten und Vorteile zu geben. Comsof Heat erleichtert die Analyse verschiedener Konfigurationen und ermöglicht es den Planern, fundierte Entscheidungen auf der Grundlage von Faktoren wie Kosten, Redundanz und Flexibilität zu treffen.
Abbildung 4: Ringtopologie-Netz in der Transportschicht mit mehreren Energiequellen
Erfahren Sie mehr über die drei Reifegrade des Fernwärme Netzwerkdesigns, um herauszufinden, wie Designer von Ingenieurs- und Beratungsfirmen Machbarkeitsstudien angehen können, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
Fernwärmesysteme der fünften Generation: ein wirtschaftlicher Vergleich
Die Fernwärmesysteme der fünften Generation (5GDH) sind sehr energieeffizient und ihr sehr niedriger Temperaturbedarf eröffnet die Möglichkeit, mehr erneuerbare und Abwärmequellen in das Netz zu integrieren. Während meiner Doktorarbeit habe ich eine automatisierte Methode zur Planung von 5GDH-Netzen entwickelt und sie mit Comsof Heat integriert, ähnlich wie andere Modelle. Während 5GDH-Netze den Spitzenwärmebedarf reduzieren können, erfordern sie aufgrund des Vorhandenseins von gebäudeseitigen Wärmepumpen einen höheren Strombedarf auf Gebäudeebene. Obwohl der Wärmeverlust von 5GDH-Netzen (151 kW) deutlich geringer ist als bei Netzen der dritten Generation (3GDH) (1983 kW), sind die Gesamtkosten (Investitions- und Betriebskosten) von 5GDH-Netzen im Vergleich zu 3GDH-Netzen höher. Das 5GDH-Netz ist nur dann finanziell attraktiv, wenn eine kostenlose Niedertemperatur-Abwärme zur Verfügung steht (mindestens 12 bis 15 °C). Andernfalls bleibt das konventionelle Wärmenetz bei den in der Studie verwendeten Kostenparametern und Strompreisen wirtschaftlich attraktiv.
Herausforderungen und Überlegungen
Fernwärmesysteme der 4. und 5. Generation bieten zwar vielversprechende Lösungen, doch müssen noch einige Herausforderungen bewältigt werden:
- Entwurf und Planung: Der Entwurf und die Planung eines groß angelegten stadtweiten Trinkwassernetzes ist nicht einfach, da es verschiedene Szenarien und Optionen in Bezug auf Nachhaltigkeit, Kosten, künftige Erweiterungen usw. zu berücksichtigen gibt.
- Speicherung und Flexibilität: Die Speicherung spielt eine wichtige Rolle beim Ausgleich von Schwankungen bei Wärmeangebot und -nachfrage. Die Ermittlung der optimalen Speichergröße und -verteilung ist von entscheidender Bedeutung, um Kosteneinsparungen zu maximieren und die Flexibilität des Systems zu gewährleisten.
- Wirtschaftliche Tragfähigkeit: Der Einsatz fortschrittlicher Warmwassersysteme kann mit höheren Anfangskosten verbunden sein, so dass die langfristige wirtschaftliche Tragfähigkeit und die Verfügbarkeit kostengünstiger kohlenstoffarmer Wärmequellen unbedingt berücksichtigt werden müssen.
- Umweltauswirkungen: Während Warmwassersysteme im Allgemeinen eine bessere Energieeffizienz und geringere Emissionen bieten, müssen die Umweltauswirkungen, die mit der Gewinnung und Nutzung von Wärmequellen sowie der Entsorgung von Abwärme verbunden sind, unbedingt berücksichtigt werden.
Energieeffiziente Fernwärmesysteme
Im Zuge der Energiewende haben sich Fernwärmesysteme der 4. und 5. Generation als wichtige Lösungen für eine effiziente und umweltfreundliche Wärmeverteilung herauskristallisiert. Die Komplexität dieser Systeme erfordert jedoch den Einsatz automatischer Auslegungswerkzeuge zur Optimierung von Netzauslegung, Speicherlösungen und Konfigurationen.
Comsof HeatEin fortschrittliches, automatisiertes Planungswerkzeug ist dabei ein leistungsstarker Verbündeter. Mithilfe seiner Funktionen können Planer die Kosten für den Netzausbau, Speicheroptionen und Netzkonfigurationen effizient analysieren. Comsof Heat ermöglicht es Planern, fundierte Entscheidungen zu treffen, die letztendlich zu kosteneffizienten und energieeffizienten Fernwärmesystemen führen.
Mit Comsof Heat zu nachhaltiger Energie im ländlichen Schottland
In diesem Artikel werden die Erkenntnisse aus einem an der Universität Glasgow durchgeführten Forschungsprojekt vorgestellt, das sich mit der Machbarkeit von Fernwärmenetzen (DHN) für ländliche Gebiete in Schottland befasst. Unter Nutzung der fortschrittlichen Möglichkeiten von Comsof Heat wird aufgezeigt, wie umweltfreundlichere und nachhaltigere Energielösungen für praktisch jede Gemeinde geschaffen werden können.
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