Forschungsprojekt UrbanTurn

Das Gesamtziel des Vorhabens ist die Erarbeitung und Ableitung technischer Lösungen für die notwendige Wandelung der leitungsgebundenen Wärmeversorgung unter Berücksichtigung volatiler Drücke und Temperaturen bei der Einspeisung regenerativer Energiequellen. Die zu erarbeitenden Lösungen umfassen dabei insbesondere die Erarbeitung neuer Auslegungskriterien für die Systemkomponenten sowie die Entwicklung neuartiger Verfahren für die Betriebsführung und Regelung von Wärmenetzen. Das Teilvorhaben des Fh IEE zielt insbesondere auf die Entwicklung und Erprobung von Technologien und Regelungsstrategien zur effizienten Integration und Nutzung von dezentralen, volatilen Wärmequellen in Wärmenetzen anhand simulativer sowie versuchsbasierter Methoden ab.

Hintergrund und Gesamtprojektziele

Fernwärmesysteme bestehen überwiegend aus zentralen Wärmeerzeugungsanlagen hoher thermischer Leistung, die die Grundlast des Wärmebedarfs im Versorgungsgebiet bereitstellen. Für die Abdeckung der Mittel- und Spitzenlast werden bedarfsgerecht weitere Wärmeerzeuger genutzt, die zum Teil verteilt im Versorgungsgebiet (dezentral) die Wärme in das Wärmeverteilnetz einbinden. In Verbindung mit den vorhandenen Wärmeerzeugungsanlagen, den Ergebnissen einer thermo-hydraulischen Simulation, den Anforderungen vorhandener Sonderkunden und der Wetterprognose erfolgt heute die Bedarfsplanung sowie eine entsprechende Betriebsoptimierung des Fernwärmesystems. Ergebnis dieses Vorgehens ist eine hocheffiziente Wärmeversorgung, die bereits heute die CO₂–Emissionen in deutschen Städten mit Fernwärmeversorgung maßgeblich verringert.

Die Erreichung der vereinbarten Klimaziele auf europäischer sowie nationaler Ebene, bzw. die daraus resultierenden regionalen bzw. kommunalen Maßnahmen zur Umsetzung der Energie- und Wärmewende, erfordern eine Weiterentwicklung dieser bestehenden Fernwärmesysteme. Seitens der Wärmeerzeugung wird die Dekarbonisierung, d. h. die Transformation der FW-Systeme hin zu einem höheren Anteil an erneuerbarer Wärme, neben der Substituierung fossiler Brennstoffe und den Bau von erneuerbaren Wärmeerzeugungsanlagen auch die wirtschaftliche Einbindung dezentraler Wärmepotenziale (wie industrielle Abwärme oder Umweltwärme) bedingen. Wärmepumpen bzw. allgemein Power-to-District Heat Anlagen können neben der Kopplung der Sektoren Strom und Wärme bzw. der Speicherung von Energie aus erneuerbaren Quellen gleichzeitig zur Dekarbonisierung in Fernwärmesystemen beitragen. Unterstützend ist eine Modernisierung des Gebäudebestandes notwendig, die neben der Reduktion des Wärmebedarfs durch Gebäudedämmung, eine Absenkung der Fernwärmenetztemperaturen durch modernisierte Heizungssysteme bewirken und die Erschließung erneuerbarer Wärmequellen ermöglichen wird.

Ausgangspunkt für die Transformation dieser – häufig historisch gewachsenen – Bestandsysteme bilden, neben dem Wärmebedarf der Kunden (bzw. dessen zukünftige Entwicklung) und der Wärmeleistung der Wärmeerzeugungsanlagen, auch die Betriebsparameter des Wärmeverteilnetzes (WN). Die Betriebsparameter – Temperatur, Druck, Massenstrom – werden bislang i. d. R. an Wärmeerzeugungsanlagen (zentral / dezentral), an speziellen Netzknotenpunkten sowie an Druckerhöhungsanlagen digital erfasst und zur Betriebsoptimierung des Fernwärmesystems verwendet. Die Anzahl an Messpunkten zur Erfassung der Betriebsparameter in den Rohrleitungen des Wärmenetzes ist im Vergleich zur Trassenlänge entsprechender Systeme gering.

Ziele des Forschungsvorhabens „UrbanTurn“  

Die begonnen und zukünftigen Weiterentwicklungen bestehender Fernwärmesysteme werden maßgeblich durch den Einbau sowie die Nutzung digitaler Komponenten zur Erschließung bislang ungenutzter Effizienzpotenziale beitragen. Das Gesamtziel des Forschungsvorhabens „UrbanTurn“ ist die Erarbeitung und Ableitung technischer Lösungen der leitungsgebundenen Wärmeversorgung zur Nutzung der Potenziale, die sich im Zuge der Digitalisierung bzw. der Weiterentwicklung der Fernwärmesysteme ergeben.

Die Verbundprojektpartner des BMWK geförderten Forschungsvorhabens Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE, BRUGG Rohrsysteme GmbH, Danfoss GmbH, GEF Ingenieur AG, HafenCity Universität Hamburg und Ihr AGFW profitieren bei der Bearbeitung von der Versuchseinrichtung „District LAB“, die am Fraunhofer IEE in Kassel entsteht. Als ein wesentlicher Bestandteil des „District LAB“ ermöglicht ein thermisches Testnetz, bestehend aus erdverlegten Rohrleitungen, Anschlussstationen sowie Speicher- und Erzeugereinheiten, die Umsetzung und ganzheitliche Analyse verschiedener, komplexer Versorgungsszenarien (siehe Abbildung 1). Ein umfassendes Mess- und Regelungssystem bildet die Grundlage für eine vollständige Auswertung der hydraulischen und thermischen Betriebszustände. Dabei können durch die messtechnische Ausrüstung der erdverlegten Rohrleitung, die Auswirkungen der Betriebszustände auf die Belastung der Rohrleitung quantifiziert und zur Weiterentwicklung der leitungsgebundenen Wärmeversorgung verwendet werden.

Im Projektverlauf wird ein digitaler Zwilling des „District LAB“ erstellt, der anhand der realen Versuchsergebnisse validiert werden kann und dadurch zukünftig computergestützter Simulationen von Untersuchungen ermöglicht. Darauf aufbauend erfolgt die simulations- und versuchsbasierte Entwicklung neuer Betriebsführungs- und Regelungsstrategien für Wärmenetze. Aus den Erkenntnissen dieser Untersuchungen können konkrete Lösungsvorschläge für die praktische Umsetzung der zukünftigen Fernwärmeversorgung abgeleitet und entwickelt werden.

Darüber hinaus verfolgt das Projekt folgende Teilziele:

• Erprobung und Entwicklung neuer Netzkomponenten im Zusammenspiel mit der Versuchseinrichtung unter Berücksichtigung eines charakteristischen Gesamtsystemverhaltens;
• Quantifizierung der Auswirkungen volatiler Drücke und Temperaturen auf die Hydraulik und die Beanspruchungen des Wärmenetzes;
• Entwicklung und Validierung von Maßnahmen zur Transformation bestehender Fernwärmesysteme;
• Erarbeitung von Vorschlägen zur Novellierung des technischen Regelwerks der Fernwärme-Statik;
• Untersuchung und Entwicklung von Methoden und Instrumenten zur Digitalisierung der Fernwärmeversorgung.