Entwicklung eines Simulationsmodells für die dynamische Analyse der Exergieflüsse eines Wärmenetzes in einem LowEx Cluster


Motivation
Die Auswirkungen des weltweit stark gestiegenen Ausstoßes von Treibhausgasemissionen sind mittlerweile - ebenso wie die Endlichkeit der fossilen Energieressourcen - wohlbekannt. Allein der Gebäudesektor benötigt bis zu einem Drittel des Endenergiebedarfs Deutschlands. Ein Großteil der Energie für das Heizen der Gebäude wird aus hochexergetischen Energieträgern (wie z.B. Kohle, Erdgas und Strom) gewonnen. Da Wohnräume meistens nur auf knapp 20 °C geheizt werden, reichen hierfür niederexergetische Energieträger aus. Für diese Anwendungsfälle gibt es bereits wirtschaftlich sinnvolle Energiequellen mit entsprechend geringem Exergieanteil. Sogenannte „LowEx“-Systeme mit natürlichen „LowEx“- Energiequellen stellen z.B. Wärmepumpen (Erdwärme), Solaranlagen (Solarstrahlung) und regenerativ betriebene Nahwärmesystem dar. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die qualitativ hochwertigen Energieträger für diejenigen Prozesse frei werden, die diese Ressourcen benötigen. Falls die überwiegende Mehrheit bzw. alle Gebäude einer Siedlung mit energetischen Heizsystemen ausgerüstet sind, die eine niederexergetische Versorgung garantieren, können auch ganze Siedlungen und Erzeugungsketten nach dem LowEx-Prinzip ausgelegt werden.

Ziele
Ziele der Arbeit sind die Modellierung einer Gebäudegruppe (LowEx Cluster) sowie die exergetische Analyse aller auftretenden thermischen Energieströme.
Das Gebäudegruppen-Modell umfasst 10 Wohngebäude mit hohem energetischen Standard, ein angeschlossenes Niedertemperatur-Nahwärmenetz mit Übergabestationen, einen Pufferspeicher sowie ausgewählte regenerative (z.B. Großwärmepumpe und Solarkollektoren) und fossile (Erdgastherme) Energiequellen. Ausgehend von einem Basismodell werden verschiedene regenerative Versorgungsszenarien ausgelegt, modelliert und dynamisch simuliert. Hierbei werden diverse regenerative Versorgungsquellen betrachtet, während die Heizlast der Gebäudegruppe (LowEx Cluster) sowie das Nahwärmenetz für die Szenarien identisch sind. Als Vergleichsprozess, werden dezentrale fossile Brennwertkessel betrachtet. Weiterhin erfolgt die Durchführung mehrerer Parametervariation, in der die Vorlauftemperatur sowie die Rohrlänge des Netzes verändert werden.
Zur exergetischen Analyse werden zunächst die Bilanzgrenzen der jeweiligen zu bewertenden Szenarien festgelegt. Im Anschluss erfolgt die Berechnung der auftretenden Energie- bzw. Exergieströme. Ausgehend von den exergetischen Analysen der verschiedenen Konfigurationen, wird ein Technologievergleich durchgeführt. Für diesen Vergleich werden die Kenngrößen Energieeffizienz, Exergieeffizienz sowie die exergetische Aufwandszahl herangezogen. Die Ergebnisse werden anschließend ausgewertet und miteinander verglichen.

Ergebnisse
Die Auswertung der Szenarien-Analyse zeigt, dass die regenerativen Energiequellen aufgrund ihrer niedrigeren Energiequalität unter exergetischen Gesichtspunkten wesentlich besser abschneiden als die fossilen Erzeugungsarten. Im Gegenzug ist die energetische Effizienz der regenerativen Energiequellen niedriger. Den besten exergetischen Wirkungsgrad erreicht das solar gespeiste Nahwärmenetz bei hoher solarer Deckungsrate. Die Exergieeffizienz der Wärmepumpen ist insbesondere vom eingesetzten Strommix abhängig. Umso höher der Anteil an regenerativen Erzeugungseinheiten, desto höher die Effizienz. Weiteren Einfluss auf die exergetische Effizienz nehmen Verluste und Mischungsprozesse in der gesamten Energieumwandlungskette, sie sollten möglichst gering gehalten werden. Zusätzlich spielt die Vorlauftemperatur des Netzes sowie die gewünschte Trinkwarmwassertemperatur eine große Rolle für die exergetische Effizienz. Weiterhin lässt sich feststellen, dass trotz hoher zu erwartender Investitionskosten für ein regeneratives Nahwärmenetz, die solare Nahwärme durch den Einsatz kostengünstiger und umweltschonender Energiequellen eine vielversprechen Technologie darstellt.

Fotos / Grafiken

  
 Abb. 1
 Abb. 2


  
 Abb. 3
 Abb. 4

Kontakt