SI/502567

Schlussbericht

Die vier grundlegenden Forschungsfragen, die allen Aktivitäten des Projekts FOSTER_DHN zugrunde liegen, lauten wie folgt: 1) Inwieweit ist es möglich, einen höheren Anteil an erneuerbaren oder kohlenstoffarmen Energie-quellen in die Versorgung der Fernwärmenetze zu integrieren? 2) Ist es denkbar, das Temperaturniveau der Verteilung in Fernwärmenetzen zu senken, um koh-lenstoffarme Versorgungspunkte integrieren zu können und eine höhere Energieeffizienz anzu-streben? 3) Ist es möglich, eine vollständig Open-Source-Umgebung für die Simulation von Fernwärmenet-zen zu entwickeln, die mehrere Versorgungspunkte integriert und bis auf die Detailebene der Unterstationen (Wärmetauscher), die die Gebäude versorgen, reicht? Ermöglicht sie uns den Zugang zu einer physikalischen Überprüfung der Szenarien und zu entscheidenden Betriebs-parametern wie Temperaturniveaus und Strömungsgeschwindigkeiten? 4) Ist es möglich, Synergien zwischen Fernwärmenetzen unterschiedlicher Größe zu identifizieren, die von Energiequellen mit unterschiedlichen Verfügbarkeitsmerkmalen und Umweltauswirkun-gen versorgt werden? Die Forschungsfragen wurden wissenschaftlich und systematisch in vier Richtungen angegangen: 1) Detaillierte Analyse von kohlenstoffarmen Energiequellen, die für Fernwärmenetze in Frage kommen, im Hinblick auf das Gesamtpotenzial und die Beschränkungen. Zwei wichtige Unter-scheidungen dienten als Untersuchungsfenster, nämlich die Verfügbarkeit einer bestimmten Quelle vor Ort (Lageabhängigkeit) einerseits und die Nutzung zur Deckung einer Bandnach-frage im Gegensatz zur Spitzennachfrage andererseits. 2) Modell des Energieverbrauchs von Gebäuden, um die Auswirkungen von energetischen Sanie-rungen zu bewerten und anschließend die Möglichkeit einer Senkung der Verteilungstempera-tur auf Primärebene zu untersuchen. 3) Entwicklung einer Simulationsumgebung für Fernwärmenetze, die auf dem Open-Source-Framework pandapipes basiert. Sie beinhaltet ein hydraulisches und thermisches Modell sowie ein Modul zur Identifizierung von Synergien zwischen Teilnetzen, einschließlich Anergienetzen. Die numerische Simulation ermöglicht es, die technische Machbarkeit der Szenarien und das Gleichgewicht zwischen Nachfrage und Versorgung zu gewährleisten. 4) Berechnung von Indikatoren, die für den Vergleich von Szenarien und die Entscheidungsfin-dung relevant sind, verbunden mit der Erstellung detaillierter Karten für relevante Parameter. Die vier Achsen wurden in zwei verschiedenen Testfällen umgesetzt, die sich auf bestehende und künf-tige Netze in den Städten Yverdon-les-Bains und Lausanne beziehen. Die Studien zu den städtischen Projekten ermöglichten es uns einerseits, die Simulationen zu testen und zu validieren, andererseits aber auch, die mit den Umsetzungspartnern gemeinsam erarbeiteten Szenarien zu vergleichen. Die vorgeschlagene Simulationsumgebung ist in der Lage, strömungsmechanische Parameter (wie Strö-mungsgeschwindigkeiten und Temperaturen) an jedem beliebigen Netzpunkt sowie relevante KPIs (wie Treibhausgasemissionen) für ein gesamtes Stadtgebiet mit mehreren hundert Gebäuden sowie für klei-nere Stadtteile in einer vollständig geolokalisierten Weise zu berechnen. Die sechs wichtigsten Ergebnishorizonte, die im Rahmen dieses Multi-Partner-Projekts erzielt wurden, sind die folgenden: 1) Es wurde eine Simulationsumgebung für getrennte oder verbundene Fernwärmenetze aller To-pologien, mit mehreren Temperatur- und Einspeisequellen entwickelt und in komplexen städti-schen Gebieten mit einigen Dutzend bis tausend Gebäuden eingesetzt. Diese Umgebung er-möglicht es, die physikalische Machbarkeit der Wärmeverteilung in den untersuchten Gebieten zu überprüfen und eine ganze Reihe von Kennzahlen zu berechnen, die für Energieunterneh-men von entscheidender Bedeutung sind, wie z. B. der Anteil erneuerbarer Energien an der Wärmeversorgung und die CO2-Emissionen im Zusammenhang mit ausgewählten Wärmeer-zeugungsszenarien. 2) Einerseits hat der Testfall YLB gezeigt, dass die vorgeschlagenen Fernwärmenetze die Treib-hausgasemissionen im Vergleich zur derzeitigen Situation um mehrere zehn Prozent reduzieren können, je nach dem betrachteten Szenario. Andererseits kann die Einführung von FWN in YLB eine Versorgung von bis zu 80 % durch erneuerbare Energien wie Geothermie und Holz ermöglichen. Es ist jedoch zu beachten, dass die Verwendung von Holz für die Raum-heizung und die Warmwasserbereitung in der BFE-Wärmestrategie nicht vorgesehen ist und auf kantonaler Ebene eingeschränkt wird. Schliesslich zeigt sich, dass die Senkung der Vertei-lungstemperatur von 80°C auf 70°C einen erheblichen Einfluss auf die Reduktion von Emissio-nen und Netzverlusten hat. 3) Ebenfalls im Testfall Yverdon-les-Bains, aber auch für das in einem Parallelprojekt untersuchte FWN von Neuchâtel, wurde eine umfassende Methodik zur Identifizierung und Nutzung von Synergien zwischen FW-Netzen entwickelt. Es wurde nachgewiesen, dass diese Synergien zu einer Verbesserung der Energie- und Umweltindikatoren führen und teilweise die Probleme lö-sen, die sich aus der lokalen Nichtverfügbarkeit bestimmter erneuerbarer Quellen ergeben. Die Vorteile im Hinblick auf die Senkung der Investitionskosten bei der Planung neuer Netze sind ebenfalls von entscheidender Bedeutung und bieten neue Forschungsperspektiven für FOS-TER_DHN. 4) Es wurde ein Simulationsrahmen für ein Mikro-FWN in Lausanne entwickelt, das die Abwärme eines Rechenzentrums nutzt, und zwar unter Berücksichtigung von Bedarfsmodellierung, Netztopologie und Betriebsstrategien. Die Simulationen untersuchten vier Szenarien mit unter-schiedlichen Temperaturniveaus, um insbesondere zu bewerten, wie sich Temperaturänderun-gen auf die Systemauslegung und den Betrieb auswirken. Zu den wichtigsten Ergebnissen ge-hört eine erhebliche Reduzierung der Wärmeverluste von 873 MWh/Jahr auf 201 MWh/Jahr im Niedrigtemperaturszenario. Allerdings führte die Temperatursenkung zu einem höheren Strom-verbrauch für dezentrale Wärmepumpen, der aufgrund der niedrigeren Leistungszahl bei nied-rigeren Temperaturen um bis zu 3890 MWh/Jahr anstieg. Die Analyse ergab auch, dass das erste Szenario (Hochtemperatur-FWN) ein minimales Wärmeleistungsdefizit (86 kW) aufwies, während das dritte Szenario (Niedertemperatur-FWN) mit einem höheren Wärmeleistungsdefi-zit (190 kW) zu kämpfen hatte. 5) Ein zweiter Teil der Lausanner Testfallstudie konzentrierte sich auf die Integration der Abwärme des Dufour Mikro-FWN in das bestehende Lausanner FWN. Die Studie untersuchte, wie die Abwärme der Swisscom-Rechenzentren (zwischen 1,5 MW und 3 MW) im breiteren Fernwär-mesystem von Lausanne genutzt werden kann. Die Integration wurde in mehreren Szenarien mit Temperaturabsenkungen zur Optimierung der Wärmerückgewinnung und Verbesserung der Gesamteffizienz bewertet. Zu den wichtigsten Ergebnissen gehören eine Steigerung des Ein-satzes erneuerbarer Energien um 1,5 % und eine Senkung des Erdgasverbrauchs im Lausan-ner FWN um 9,3 % aufgrund der Integration. Diese Veränderungen zeigen, wie die Einbindung von Abwärme die Nachhaltigkeit des FWN erheblich verbessern kann, insbesondere durch die Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Heizquellen. Das kleinere FWN im Südwesten von Lausanne erzielte mit einem Anstieg der erneuerbaren Energien um 2,3 % und einer Verringe-rung des Erdgasverbrauchs um 24,4 % sogar noch bessere Ergebnisse. 6) Im Rahmen des Projekts wurde weiter analysiert, wie sich die Senkung der Verteilungstempe-raturen innerhalb des Dufour micro-FWN auf die Gesamteffizienz des Systems auswirkt. In ei-nem Szenario wurde die sekundärseitige Temperatur von 65°C/40°C auf 55°C/35°C gesenkt, was zu einem Rückgang des Stromverbrauchs für die zentrale Wärmepumpe um 21 % führte. Durch die Senkung der Temperaturen verringerte sich zwar der Wärmeverlust von 872,8 MWh/Jahr auf 718,8 MWh/Jahr, doch führte dies auch zu einem Mangel an Wärmeleistung, wodurch die Wärmepumpe weniger Wärme produzierte. Im Szenario mit dezentralen Wärme-pumpen verbesserte die Temperatursenkung außerdem deren COP, während der höhere Wär-mebedarf zu einem höheren erforderlichen Durchfluss führte, was den Stromverbrauch der Pumpen erhöhte. Dieses Szenario verdeutlicht, wie wichtig es ist, Temperatursenkungen durch betriebliche Anpassungen (z. B. des Massenstroms) auszugleichen, da übermäßige Tempera-tursenkungen zu Problemen bei der Deckung des Wärmebedarfs führen können, obwohl die Energieeffizienz verbessert wird.