Internationaler ETG-Kongress 2019 - Stadtwerke Bamberg...Daniel Then Esslingen am Neckar, 09.05.2018...

Daniel Then

Esslingen am Neckar, 09.05.2018

Entwicklung eines Strom-, Wärme- und Mobilitätskonzeptes auf

Stadtteilebene unter Berücksichtigung von Sektorenkopplung für den

Lagarde Campus Bamberg

Internationaler ETG-Kongress 2019

Das Gesamtsystem im Fokus

der Energiewende

Konversion der ehemaligen US-Kaserne Bamberg

• Entwicklung und Integration eines intelligenten Heizsystems in

die bestehende und neue Gebäudestruktur

• Integration dieses gekoppelten Multi-Energie-Systems

in bestehende Gas-, Strom- und Wärmenetzstrukturen

• Untersuchung und Berücksichtigung der Akzeptanz und

Bedürfnisse der beteiligten Akteure

Entwicklungsziele für den Lagarde Campus seitens der

Stadtwerke Bamberg in Bezug auf das Energiesystem

14.05.2019 © VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V. 3

Stadt-entwicklung

Service Provider

Mobilität und Energie

Investoren

Nutzer Interessen-

gruppen

Kommune

Quelle: Chirine Etezadzadeh: Smart City – Stadt der

Zukunft?; Springer Vieweg; Wiesbaden 2015

2017

• Entwicklung und Konsolidierung eines Qualitäts-

Handbuches für Investoren

2018

• Start der Machbarkeitsstudie im Rahmen des Förder-

Programmes „Wärmenetze 4.0“ des BMWi1

Konversion des Lagarde Campus Bamberg


Quelle: Google Maps,

abgerufen am 15.09.2018

51% 34%

6% 9%

Wohnen

Dienstleistung/ Gewerbe

Kultur

Soziale Einrichtung/ Gemeinbedarf

1) BMWi, Förderbekanntmachung zu den Modellvorhaben Wärmenetzsysteme 4.0 (2017)

Nettoraumfläche: 182.830 m²

Digitales

Gründerzentrum

Zentrum für

Cyberkriminalität

der bayr. Justiz

Bedarfe Jahresenergiebedarf (MWh)

Heizwärme und TWW 10874

Kühlung (Wohnen) 917

Elektrisch

(ohne WP und E-Kfz) 8226

Photovoltaik (Ost-West) 1565

Ziele innerhalb des Modellvorhabens

•Wärme aus Wärmenetzen zu möglichst geringen Kosten (< 12 ct/kWh (brutto) Vollkosten)

•Hoher Anteil erneuerbarer Energien in der Wärmeerzeugung (> 50 %)

•Repräsentative Größe des Quartiers (> 3 GWh oder >100 Abnehmer)

Zeitplan

Rahmenbedingungen „Wärmenetze 4.0“


Machbarkeitsstudie Umsetzungsphase Betriebsphase

Dauer: bis zu 1Jahr Dauer: bis zu 4 Jahre

Nachweispflicht:

Kosteneffizienz 5 Jahre

Nachhaltigkeit 10 Jahre

Aktuell

• Analyse der lokalen Rahmenbedingungen

• Analyse des Strom-, Wärme-, Kälte- und Mobilitätsbedarfs

• Untersuchung und Berücksichtigung von Akzeptanz und

Bedürfnissen der beteiligten Akteure

• Analyse potenzieller Energiequellen, Speicherpotenziale

• Analyse von Sektorkopplungs-Potentialen

• Techno-ökonomische Bewertung von Versorgungsvarianten

• Bewertung von regulatorischen Aspekten

• Analyse und Bewertung von Geschäftsmodellen für den

System-Betreiber

Methodik für die Machbarkeitsstudie


Präsentation ausgewählter Ansätze

Quelle: Stadt Bamberg,

Qualitätshandbuch Lagarde Campus (2017)

Zielsetzung

Einbeziehung der Bedarfe und Vorstellungen

potentieller Bewohner/-innen in die

Entwicklung des Versorgungskonzeptes.

Methode

Großflächige Online-Befragung mit einer

Stichprobenzusammensetzung (n = 601,

Durchschnittsalter = 48,6 Jahre), die im

Hinblick auf die soziodemografischen und

infrastrukturellen Merkmale Bambergs

Bevölkerung repräsentiert.

Untersuchung und Berücksichtigung von Akzeptanz und

Bedürfnissen der beteiligten Akteure


Erhebungsdaten

Quantitativ

• Einstellungen der Befragten zu generellen

Produkt- und Anbietermerkmalen

• Einstellungen der Befragten zu Licht und Wärme

• Einstellungen der Befragten zu

Mobilitätskonzepten

Qualitativ

• Vorstellungen potenzieller Nutzer bezüglich eines

ökologisch-innovativen Wohnviertels (Lagarde

Community)

• Investoreninterviews

Suche und Priorisierung von Wärmequellen

Potentialanalyse Wärmequellen


Prio 1:

„Erneuerbare

Energien“

Prio 2:

„Abwärme,

Flexibilitäten“

Prio 3:

„Konventionelle

Erzeugung“

• Geothermie

• Solarenergie

• Abwassernutzung

• Lokale zeitliche Wärme-

und Kälte-Verschiebungspotentiale

• Prozesswärme

• Fernwärmeanbindung auf

Basis von Prozesswärme

eines Müllheizkraftwerkes

Benchmarking anhand Potentialen und

Nachhaltigkeit (Vorbewertung)

Potentialanalyse Wärmequellen


V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8

Innovation O + ++ ++ + +++ --- --

Image O + ++ O ++ +++ --- --

Kühlung +++ +++ ++ --- --- + - ---

Platzbedarf - --- ++ ++ +++ + O +++

Energielieferung ++ ++ O + --- +++ ++ --

Lokale Emission

(Schall/CO2)

+++ +++ +++ +++ +++ + - +++

Deckungsbeitrag

Heizenergie

-- O -- --- - O + +++

Deckungsbeitrag EE -- - -- --- - O O ---

Summe O ++ ++ - + +++ --- --

Maximale mögliche Deckungsraten

0 20 40 60 80 100

V1: Geothermie, Erdsonden (WP)

V2: Geothermie, Flächenkollektoren (WP)

V3: Abwasserwärme (WT)

V4: Trinkwasser (WT)

V5: Industrielle Prozesswärme (WP)

V6: PtG, PV, KWK und WP

V7: Außenluft (WP)

V8: Fernwärme

Deckungsbeitrag

Deckungspotential Erneuerbare Energie

Deckungspotential Heizenergie

Methode

Nutzung eines Optimierungsmodells zur techno-

ökonomischen Auslegung von Energiesystemen (siehe

OptIn-Tool1,2)

Techno-ökonomische Bewertung des

Sektorkopplungspotentials


1) Jan von Appen, et. al.: Sizing and improved grid integration of residential PV systems with heat pumps and battery

storage systems, IEEE Transactions on energy conversion

2) Jan von Appen, Incentive design, sizing and grid integration of residential PV systems with heat pumps and battery

storage systems, 15th International Conference on the European Energy Market (EEM) 2018

Ziel der Untersuchung

• Analyse der Wechselwirkung zwischen Gebäude und

Netzinfrastruktur für verschiedene Systemkonfigurationen

• Analyse der Nutzung der PV-Energie für:

Elektrischen Eigenverbrauch

Wärmeerzeugung mit Wärmepumpen (V2, V3, V4)

Gaserzeugung mittels PtG (V6)

Gegenstand der Untersuchung

Unterscheidung mehrerer Anlagenkonfigurationen von PV-

Anlagen, elektrischen Eigenverbrauch, elektrischen

Wärmpumpen und Batteriespeichern

Zentralität der Anlagenstandorte: Zentral vs. Dezentral

Priorisierung der Nutzung der PV-Energie für

Wärmegestehung

Im zentralen Konzept werden Netzentgelte und Steuern, die durch Nutzung

des öffentlichen Netzes entstehen vernachlässigt.

Grad der Nutzung der PV-Energie für

Wärmegestehung

Betriebs-

konfiguration

PV-Last PV-Last-

WP

PV-Last-WP

(WP hat

Priorität)

Zentralität

Anlagen

Standort

Anlagen-

konfiguration

Dezentral

Zentral Exemplarische Darstellung auf der nächsten

Folie

Techno-ökonomische Bewertung des

Sektorkopplungspotentials (Gesamtes Lagarde Areal)


Ergebnisse der saisonalen Energieanalyse

für die zentrale Variante Erkenntnisse

• Zentrales Konzept hebt Flexibilitäten, aufgrund

unterschiedlicher Nutzungstypen der Einzelgebäude

• Nutzung von PV-Energie für Wärmegestehung abh.

der Priorisierung (Kum. Jährliche PV-Erzeugung = 1,9 GWh)

PV+WP: Winter: 1 MWh, Übergang: 15 MWh,

Sommer: 20 MWh

PV+WP (Prio): Winter: 235 MWh, Übergang: 186

MWh, Sommer: 69 MWh

• Problematisch bei zentraler Variante: Entkopplung

von Wärme- und Stromsektor durch rechtliche

Rahmenbedingungen nötig.

Wärme

• Kaltes-Sole-Netz

• Warmes-Netz

• Energiezentrale

• Parkpaletten

• Eingrenzung auf

Lagarde-West

Grenze

Förderrahmen

Unsicherheiten

Stadtentwicklung

Resultierende Netzinfrastruktur


Strom

Aufbau eines „elektrischen Betriebs-

netzes“ für die Kopplung der Wärme-

erzeugungsanlagen

Trennung von PV-Erzeugung für

Wärmeerzeugung von Eigenverbrauch und

sonst. PV-Anlagen und damit Verlust von

Flexibilität im Gesamtsystem

Ökonomische Ineffizienz des

Gesamtsystems durch den Aufbau einer

parallelen Netzinfrastruktur

Wirtschaftlichkeit in Bezug auf das

Wärmeversorgungssystem („Wärmenetze

4.0“) gegeben.

Legende

Resultierendes Wärmeversorgungskonzept


69

0 M

Wh

900 MWh

300 MWh

Deckungsausgleich für Lastspitzen 70 MWh

Stromnetz 100 % Erneuerbare Energie möglich

Photovoltaik

Freie Kühlung

Erdsonden Saisonaler Speicher

Kälte 175 MWh

TWW

Heizung Kaltes

Nahwärme-netz

+ 20 MWh Gewinne

Wärmepumpen

Abwasser als mögliche Ergänzung

Fernwärme Müllheizkraftwerk

TWW

Heizung

Trinkwasser Wärme

Sonnenenergie

PtG-Anlage 68 % el. Wirkungsgrad

Nahwärme-netz mit 1.400

m³ Speicher

KWK-Anlage 40 % Rückverstromung - Stromgeführt -

Erdgasnetz Speicherfunktion Elektrisches

Betriebsnetz

600 MWh

890 MWh

1.900 MWh 2.580 MWh

960 MWh

440 M

Wh

250 MW

h

direkt

Restwärme

54

0

MW

h

440 MWh

370 MWh

Erdkollektor Wärme/Kälte

390 MWh

Max

. 752

M

Wh

175 MWh 175 MWh

Energiequellen

Kälte

Speicher

Strom

Wärme

Gas

Resümee

14.05.2019 © VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V.

Deckungsbeiträge (66% Erneuerbare

Energien)

Zentrale Erkenntnisse

• Deckungsraten Erneuerbarer Energien >

50% in urbanen Quartieren mit teilweiser

Bestandsbebauung aus techno-

ökonomischer Sicht möglich

• Aktueller ordnungspolitischer Rahmen

hemmt die Umsetzung „sektorüber-

greifender Gesamtsystem Konzepte“

Danksagung

Die in diesem Beitrag vorgestellten

Inhalte wurden vom BMWi im Rahmen

des Programms "Wärmenetze 4.0"

unterstützt. Die Autoren danken den

Mitarbeitern der Projektpartner

BUILD.ING Consultants + Innovators

GmbH, des Fraunhofer IEE und der

Universität Bamberg für die

Zusammenarbeit innerhalb des

Projekts.

Nächste Schritte

• Abstimmung der Konzepte und Schnittstellen

bezüglich der Technischen Gebäudeausstattung mit

den Investoren

• Skizzenerstellung für die Umsetzungsphase innerhalb

„Wärmenetze 4.0“

• Weiterentwicklung und Integration des

Mobilitätskonzeptes

Ausblick


Vielen Dank für

Ihre Aufmerksamkeit!

14.05.2019 17

Internationaler ETG-Kongress 2019

Ansprechpartner:

Daniel Then

Fraunhofer IEE

Tel. +49 561 7294-275

[email protected]

Unsere Projektpartner:

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