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Modellierung von Hochtemperaturwärmepumpen in der integrierten Simulation von multivalenten Wärmeversorgungssystemen

Affiliation
Hochschule Flensburg; Zentrum für Nachhaltige Energiesysteme (ZNES), Europa-Universität & Hochschule Flensburg
Freißmann, Jonas;
Affiliation
Hochschule Flensburg; Zentrum für Nachhaltige Energiesysteme (ZNES), Europa-Universität & Hochschule Flensburg
Fritz, M.;
Affiliation
Hochschule Flensburg; Zentrum für Nachhaltige Energiesysteme (ZNES), Europa-Universität & Hochschule Flensburg
Tuschy, I.

Zentrale Wärmeversorgungssysteme sind ein wichtiger Baustein der Wärmewende zur Mitigation des anthropogenen Klimawandels. Hochtemperaturwärmepumpen nehmen darin als hoch effiziente Power-to-Heat-Technologie eine Schlüsselrolle ein. Um den bestmöglichen Transformationspfad zu entwickeln, ist zu identifizieren, welche konkreten technologischen Konzepte ökonomisch sowie ökologisch von Vorteil sind. Dieses Ziel hat die hier dargelegte Methodik, welche anhand einer Fallstudie demonstriert und beurteilt wird. Demnach werden zunächst verschiedene Wärmepumpenschaltungen mit unterschiedlichen Arbeitsmedien mit Hilfe der Open Source Simulationssoftware TESPy komponentengenau abgebildet. Daraus abgeleitete Charakteristiken fließen dann in die Einsatzoptimierung von Versorgungssystemen ein, die neben den Wärmepumpen auch andere Erzeugungstechnologien enthalten. Der Einsatz der Einzeltechnologien im Erzeugungsverbund wird schließlich nach wirtschaftlichen Kriterien und hinsichtlich der Systemwirkung bewertet. Die Fallstudie erfolgt innerhalb der energiewirtschaftlichen und –politischen Rahmenbedingungen des Jahres 2019 in Deutschland. Die verwendeten Wärmelastdaten desselben Jahres stammen allerdings aus einem Subnetz des Wärmeversorgungssystems der dänischen Stadt Sønderborg, in dem moderate Vorlauftemperaturen vorliegen. Es werden drei Wärmepumpensetups einander gegenübergestellt, gebildet aus zwei Schaltungskonzepten und zwei Arbeitsmedien. Neben der jeweiligen Wärmepumpe besteht das zu untersuchende synthetische Versorgungssystem aus einem Erdgas-BHKW und einem Spitzenlastkessel. Ergebnis der Fallstudie ist, dass sich Verbesserungen des COP aufgrund von topologischen Maßnahmen sowie der Wahl eines geeigneteren Kältemittels auf den Deckungsanteil der Wärmepumpen unter den gewählten Randbedingungen durchschlagen. Der signifikante Anstieg resultiert dabei in leicht geminderten Wärmegestehungskosten des Versorgungssystems. Der gestiegene Deckungsanteil der Wärmepumpe reduziert die Gesamtemissionen des Versorgungssystems, wenn für die Gutschrift der Emissionen bei Netzeinspeisung durch das BHKW der gesamten Strommix, unterstellt wird. Wird jedoch ausschließlich die Verdrängung von fossilen Kraftwerken angenommen, sorgt die Minderung des Deckungsanteils des BHKW durch die Wärmepumpe für eine reduzierte Systemdienlichkeit. Die konkreten Schlussfolgerungen sind nur unter Berücksichtigung der unterstellten Randbedingungen der beispielhaften und synthetischen Fallstudie zu interpretieren. Grundsätzlich aber zeigt sich, dass die Methode anwendbar ist und zu aussagekräftigen Ergebnissen führen kann. Sie eignet sich damit, Entscheidungsprozesse für konkrete Vorhaben und übergeordnete Strategien zu unterstützen.

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