District heating systems for new residential areas: On the impact of system temperatures

Erneuerbare Niedertemperatur-Wärmenetzsysteme können einen wichtigen Beitrag zur Dekarbonisierung der Wärmebereitstellung dicht bebauter Wohngebiete leisten. Es ist bisher unklar, welche Auswirkungen die Wahl der Systemtemperatur, hier die mittlere Wärmenetzsystemvorlauftemperatur, auf die Erschließung neuer Wohngebiete mit Niedertemperatur-Wärmenetzsystemen hat. Ziel ist es, den Einfluss der Systemtemperatur auf die ökologische und ökonomische Effizienz von erneuerbaren Wärmenetzsystemen für neue Wohngebiete mit geringer bis hoher Bebauungsdichte zu quantifizieren. Hierfür wurden thermodynamische Simulationen und eine techno-ökonomische Analyse durchgeführt, die die Bereiche Wärmebedarf (Gebäude und Anlagentechnik), Wärmeverteilung, sowie die Auslegung und den Betrieb der Wärmebereitstellungsanlagen umfasst. Zunächst wird eine vereinfachte Gebäudetypologie aus 13 Gebäudetypen definiert. Besagte Gebäude und dazugehöriger Anlagentechnik (Trinkwarmwasserbereitung und Raumheizungssystem) werden für drei Standorte in Deutschland und in drei Gebäudeeffizienzstandards modelliert und simuliert. Die Wärmelastprofile der Einzelgebäude werden zu Quartiers-Wärmelastprofilen aggregiert, sodass über 300 Wärmelastprofile generiert werden. Diese decken den gesamten Bebauungsdichtebereich von lockerer bis sehr dichter Bebauung ab. Die erstellten Quartiers-Wärmelastprofile werden im Rahmen einer Regressionsanalyse diskutiert. Zur Verallgemeinerung der Quartiersprofile werden die Parameter des in der deutschen Gaswirtschaft etablierten Standard-Last-Profil (SLP)-Verfahrens für die Nutzergruppe „Wohngebäude“ hoher Gebäudeenergieeffizienzstandards angepasst. Darauf aufbauend werden erneuerbare Wärmenetzsysteme mit mittleren Systemtemperaturen von 40 °C bis 75 °C für ländliche bis urbane Wohnquartiere ausgelegt und untersucht. Der Mehrwert geringer Systemtemperaturen wird anhand der Wärmegestehungskosten und der CO2-Äqui.-Emissionen pro Quadratmeter Gebäudebezugsfläche oder pro bereitgestellte Megawattstunde dargelegt. Im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse werden die Auswirkungen von Kosten- und Preisänderungen auf die Wärmegestehungskosten untersucht. Abschließend wird der Einfluss der Systemtemperatur auf die Bereiche Wärmebedarf und Wärmelast, Wärmeverteilung sowie Wärmebereitstellung dargelegt und Schlussfolgerungen gezogen. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass erneuerbare Wärmenetzsysteme ökonomisch und ökologisch von geringen Systemtemperaturen profitieren. Eine Reduzierung der Wärmegestehungskosten um etwa 20 % kann erreicht werden, wenn die mittlere Wärmenetzvorlauftemperatur von 75 °C auf 40 °C gesenkt wird. Dies ist hauptsächlich darin begründet, dass geringere Systemtemperaturen zu einer Steigerung der Effizienz erneuerbarer Wärmeerzeugungstechnologien führen, wodurch die Gesamtsystemkosten signifikant sinken. Hinsichtlich der Wärmeverteilung konnte ein Temperaturoptimum im Bereich von 50 °C bis 60 °C festgestellt werden. Bei Systemtemperaturen unter 55 °C kommt es zu einer Verschiebung der Kosten von Erzeuger- zu Nutzerseite: die Betriebskosten zentraler Wärmepumpensysteme werden deutlich reduziert, jedoch fallen Investitions- und Wartungskosten, sowie Betriebskosten auf der Nutzerseite durch Warmwasserbereitstellungskomponenten an. Der Einsatz von Wohnungsstationen führt zu einem erheblichen Anstieg der Wärmegestehungskosten um bis zu 30 %. Insgesamt wurde für Wärmepumpen-basierte Wärmenetzsysteme ein Kostensenkungsgradient von im Mittel 1 €/(MWh∙KVorlauf) bei Netto-Strompreisen von rund 200 €/MWh berechnet. Hinsichtlich der ökologischen Effizienz ist festzuhalten, dass eine Systemtemperatur von 55 °C statt 75 °C zu deutlich geringeren Treibhausgasemissionen im Bereich von 30 % führt, jedoch eine weitere Temperaturabsenkung in urbanen Wohnquartieren zu keiner weiteren signifikanten Verringerung der Treibhausgasemissionen führt. Dies ist durch den höheren Stromverbrauch auf der Verbraucherseite zu erklären, der durch den Nachheizbedarf des Warmwassers auf 60 °C (Legionellenschutz) mittels Booster-Wärmepumpen oder direkt-elektrischer Nachheizung bedingt ist. Die Ergebnisse bestätigen die Bedeutung geringer Systemtemperaturen von unter 70 °C für die wirtschaftliche und ökologische Effizienz von Wärmenetzsystemen mit temperatursensiblen Wärmebereitstellungstechnologien wie Solarthermie und Wärmepumpe.