Untersuchung der Auswirkungen von Einspeisung erneuerbarer Wärme auf KWK-Wärmenetze in urbanen Quartiersstrukturen

Um die Klimaschutzziele der Bundesregierung zu erreichen sind im Rahmen der Energiewende die CO2-Emissionen besonders in den Sektoren Strom und Wärme durch geeignete Maßnahmen zu reduzieren. Aus diesem Grund liegt der Fokus auf einer Steigerung des Anteils regenerativer, CO2-freier Erzeugungsanlagen an der Energieversorgung. Kann man im Stromsektor bereits auf ein beachtliches Wachstum des Anteils erneuerbarer Energien in der Erzeugung zurückblicken, so stagnieren die Werte im Wärmebereich, obwohl dieser ein hohes Einsparpotenzial aufweist. Zur Aktivierung der Wärmewende ist eine Vielzahl an Maßnahmen von Nöten. Eine Möglichkeit, erneuerbare Wärme in die Wärmeversorgung dicht besiedelter Stadtgebiete zu integrieren, stellen Wärmenetze dar. Die verlustarme Verteilung über weite Strecken ermöglicht eine verbrauchsferne Erzeugung, wodurch auch Gebiete ohne verfügbare Flächen beispielsweise mit solarthermischer Wärme versorgt werden können. Des Weiteren vereinfachen Wärmenetze die Kopplung der Sektoren Strom und Wärme, da sie durch die Brennstoff- und Erzeugungstechnologieoffenheit verstärkt durch Wärme aus Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) und Power-to-heat-Systeme gespeist werden können. Die fluktuierende, nichtregelbare Erzeugung und Einspeisung erneuerbarer Energien stellt die Netzbetreiber allerdings vor neue Herausforderungen zur Sicherstellung eines stabilen Netzbetriebes. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen der vermehrten Einspeisung erneuerbarer Wärme auf alle weiteren Komponenten eines Energiesystems, welches aus Erzeugungs-, Verteilungs- und Speicherungsinfrastruktur besteht. Erneuerbare Wärmeerzeuger, insbesondere Solarthermieanlagen, sind durch eine fluktuierende, dargebotsabhängige Erzeugung charakterisiert. Aus diesem Grund sind der konventionelle Betrieb sowie bei Neubauprojekten die Auslegung der regelbaren KWK-Anlagen dahingehend anzupassen, dass ein möglichst hoher Anteil erneuerbare Wärme in die Versorgung integriert werden kann, ohne dass es zu wirtschaftlichen Einbußen für den Versorger kommt. Ebenso ist ein effizienter und stabiler Netzbetrieb zur Gewährleistung einer kontinuierlichen Versorgungssicherheit von höchster Priorität. Zu diesem Zweck erfolgt im Rahmen dieser Arbeit die Erarbeitung von zwei Simulationsprogrammen, mit denen zum einen Wärmenetze verschiedenster Größe und Topologie sowie zum anderen regelbare und regenerative Erzeugungsanlagen sowie alle weiteren Komponenten eines Energiesystems zur Betriebssimulation abgebildet werden können. Die Auswahl von drei geeigneten Simulationsszenarien und aussagekräftigen technischen sowie ökonomischen und ökologischen Kennzahlen ermöglicht neben einer umfassenden Bewertung ebenso die Ableitung von Handlungsmaßnahmen, die eine verstärkte Einbindung der Wärmewende in die Energiewende ermöglichen