Simulation und exergetische Analyse kombinierter, regenerativer Versorgungstechnologien für eine Gebäudegruppe


Motivation
Die Bundesregierung hat ambitionierte Ziele zur Reduktion von Treibhausgasemissionen bis zum Jahr 2050 beschlossen. Eine Möglichkeit dieses Ziel zu erreichen ist die Nutzung von fossilen Energieträgern zu limitieren. Fossile Energieträger können nahezu beliebig in andere Energieformen umgewandelt werden und dadurch Arbeit verrichten. Die Energie kann als qualitativ sehr hochwertig gewertet werden. Der derzeitige Strommix in Deutschland basiert beispielsweise zu über 50% auf fossilen Energieträgern. In der Thermodynamik wird das Arbeitspotential einer Energie auch als Exergie bezeichnet. Doch nicht bei allen energetischen Prozessen, bei denen fossile Energieträger zum Einsatz kommen wird deren hohes Arbeitspotential auch tatsächlich genutzt. Besonders auffällig ist dies bei der Wärmeversorgung im Gebäudebestand. Energie in Form von Wärme kann nicht vollständig in beliebig andere Energieformen umgewandelt werden, sie ist qualitativ minderwertig, ihr Arbeitspotential, d.h. ihr Exergiegehalt ist niedrig.

Ziele
In Rahmen einer Untersuchung werden unterschiedliche Wärmeerzeugungstechnologien exergetisch analysiert und bewertet. Das Ziel der Arbeit ist es zu untersuchen, ob exergetische Vorteile durch den Zusammenschluss unterschiedlicher regenerativer Versorgungstechnologien erreicht werden können. Ausgangspunkt der Arbeit ist ein bestehendes Gebäudegruppenmodell. Das Modell umfasst 10 Wohngebäude mit hohem energetischen Standard, ein angeschlossenes Niedertemperatur-Nahwärmenetz mit Übergabestationen, einen Pufferspeicher sowie die Erzeugereinheiten Solarthermie (ST), Wärmepumpe (WP) mit Erdwärmesonden (EWS). Das bestehende Modell wird um ein gasbetriebenes Blockheizkraftwerk (BHKW) erweitert. Weiterhin werden zusätzliche Speicher sowie eine Regelung der Erzeuger implementiert, um die unterbrechungsfreie Wärmeversorgung zu garantieren. Die Vorlauftemperatur im Nahwärmenetz beträgt 45 °C. Auf diese Weise kann der Warmwasserbedarf der Gebäude fast vollständig über einen indirekten Anschluss (Wärmeübertrager im Durchlaufprinzip) an das Nahwärmenetz gedeckt werden. Für den Fall, dass z.B. wegen zu hoher Verluste nicht die gewünschte Wassertemperatur an der Entnahmestelle im Haus erreicht werden kann, steht jedem Gebäude zusätzlich ein elektrischer Durchlauferhitzer zur Verfügung.
Im Rahmen einer exergetischen Analyse erfolgt die Bilanzierung der auftretenden Energie- bzw. Exergieströme. Im Einzelnen betrachtet werden die autarke Auslegung, sowie die Kombination aus zwei bzw. drei Erzeugern mit unterschiedlichen Parametervariationen. Ausgehend von den exergetischen Analysen der verschiedenen Konfigurationen, erfolgt ein Technologievergleich. Für diesen Vergleich werden die Kenngrößen Energieeffizienz, Exergieeffizienz sowie die exergetische Aufwandszahl herangezogen. Neben einer rein thermodynamischen Bewertung erfolgt eine vereinfachte Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Szenarien.

Ergebnisse
In unterschiedlichen Szenarien werden die Erzeuger einzeln oder in Zweier- beziehungsweise Dreierkombinationen energetisch sowie exergetisch analysiert. Anschließend werden noch einfache Überlegungen zur Wirtschaftlichkeit durchgeführt. Die Analyse der Ergebnisse zeigt, dass die Solarthermie aus exergetischer Sicht der attraktivste Wärmeerzeuger ist. Die Wärme wird allerdings größtenteils im Sommer erzeugt und muss unter hohen Wärmeverlusten in Wärmespeichern für die Heizperiode bereitgehalten werden. Dies verursacht hohe Kosten, die die wirtschaftliche Machbarkeit in Frage stellen. Die Kombination mit einem 2. Erzeuger ist daher unausweichlich. Das Blockheizkraftwerk muss trotz günstiger exergetischer Eigenschaften ausgeschlossen werden, da es nur mit hohen Betriebszeiten wirtschaftlich betrieben werden kann, vor allem aber im Sommer bei der Warmwasser Bereitung in Konkurrenz mit der nicht regelbaren ST stünde. In Frage kommt die Kombination von ST und einer WP. So können die exergetischen Vorteile der ST genutzt und trotzdem die Wirtschaftlichkeit gewahrt werden. Da die WP exergetisch schlechter abschneidet als die ST gilt es den solaren Deckungsgrad so weit zu erhöhen, wie es wirtschaftlich vertretbar ist. Die Kombination von WP und BHKW zeigte ebenfalls Tendenzen für exergetische Vorteile, die auch wirtschaftlich konkurrenzfähig sind. Wird das BHKW zur Deckung der Trinkwarmwasser-Grundlast ausgelegt erreicht es wirtschaftliche Betriebszeiten. Die WP bleibt ebenfalls im wirtschaftlichen Bereich. Da die WP beim aktuell geltenden Strommix als exergetisch schlechter zu bewerten ist als das BHKW, muss deren Anteil so weit wie möglich verringert werden, wie wirtschaftlich möglich. Reine exergetische Vorteile durch Synergieeffekte einer Zusammenschaltung mehrerer Versorgertechnologien können im Rahmen dieser Arbeit nicht bestätigt werden.

Fotos / Grafiken

  
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 Abb. 2


 
 
 Abb. 3 Abb. 4


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