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Daniel Then
Esslingen am Neckar, 09.05.2018
Entwicklung eines Strom-, Wärme- und Mobilitätskonzeptes auf
Stadtteilebene unter Berücksichtigung von Sektorenkopplung für den
Lagarde Campus Bamberg
Internationaler ETG-Kongress 2019
Das Gesamtsystem im Fokus
der Energiewende
Konversion der ehemaligen US-Kaserne Bamberg
• Entwicklung und Integration eines intelligenten Heizsystems in
die bestehende und neue Gebäudestruktur
• Integration dieses gekoppelten Multi-Energie-Systems
in bestehende Gas-, Strom- und Wärmenetzstrukturen
• Untersuchung und Berücksichtigung der Akzeptanz und
Bedürfnisse der beteiligten Akteure
Entwicklungsziele für den Lagarde Campus seitens der
Stadtwerke Bamberg in Bezug auf das Energiesystem
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Stadt-entwicklung
Service Provider
Mobilität und Energie
Investoren
Nutzer Interessen-
gruppen
Kommune
Quelle: Chirine Etezadzadeh: Smart City – Stadt der
Zukunft?; Springer Vieweg; Wiesbaden 2015
2017
• Entwicklung und Konsolidierung eines Qualitäts-
Handbuches für Investoren
2018
• Start der Machbarkeitsstudie im Rahmen des Förder-
Programmes „Wärmenetze 4.0“ des BMWi1
Konversion des Lagarde Campus Bamberg
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Quelle: Google Maps,
abgerufen am 15.09.2018
51% 34%
6% 9%
Wohnen
Dienstleistung/ Gewerbe
Kultur
Soziale Einrichtung/ Gemeinbedarf
1) BMWi, Förderbekanntmachung zu den Modellvorhaben Wärmenetzsysteme 4.0 (2017)
Nettoraumfläche: 182.830 m²
Digitales
Gründerzentrum
Zentrum für
Cyberkriminalität
der bayr. Justiz
Bedarfe Jahresenergiebedarf (MWh)
Heizwärme und TWW 10874
Kühlung (Wohnen) 917
Elektrisch
(ohne WP und E-Kfz) 8226
Photovoltaik (Ost-West) 1565
Ziele innerhalb des Modellvorhabens
•Wärme aus Wärmenetzen zu möglichst geringen Kosten (< 12 ct/kWh (brutto) Vollkosten)
•Hoher Anteil erneuerbarer Energien in der Wärmeerzeugung (> 50 %)
•Repräsentative Größe des Quartiers (> 3 GWh oder >100 Abnehmer)
Zeitplan
Rahmenbedingungen „Wärmenetze 4.0“
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Machbarkeitsstudie Umsetzungsphase Betriebsphase
Dauer: bis zu 1Jahr Dauer: bis zu 4 Jahre
Nachweispflicht:
Kosteneffizienz 5 Jahre
Nachhaltigkeit 10 Jahre
Aktuell
• Analyse der lokalen Rahmenbedingungen
• Analyse des Strom-, Wärme-, Kälte- und Mobilitätsbedarfs
• Untersuchung und Berücksichtigung von Akzeptanz und
Bedürfnissen der beteiligten Akteure
• Analyse potenzieller Energiequellen, Speicherpotenziale
• Analyse von Sektorkopplungs-Potentialen
• Techno-ökonomische Bewertung von Versorgungsvarianten
• Bewertung von regulatorischen Aspekten
• Analyse und Bewertung von Geschäftsmodellen für den
System-Betreiber
Methodik für die Machbarkeitsstudie
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Präsentation ausgewählter Ansätze
Quelle: Stadt Bamberg,
Qualitätshandbuch Lagarde Campus (2017)
Zielsetzung
Einbeziehung der Bedarfe und Vorstellungen
potentieller Bewohner/-innen in die
Entwicklung des Versorgungskonzeptes.
Methode
Großflächige Online-Befragung mit einer
Stichprobenzusammensetzung (n = 601,
Durchschnittsalter = 48,6 Jahre), die im
Hinblick auf die soziodemografischen und
infrastrukturellen Merkmale Bambergs
Bevölkerung repräsentiert.
Untersuchung und Berücksichtigung von Akzeptanz und
Bedürfnissen der beteiligten Akteure
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Erhebungsdaten
Quantitativ
• Einstellungen der Befragten zu generellen
Produkt- und Anbietermerkmalen
• Einstellungen der Befragten zu Licht und Wärme
• Einstellungen der Befragten zu
Mobilitätskonzepten
Qualitativ
• Vorstellungen potenzieller Nutzer bezüglich eines
ökologisch-innovativen Wohnviertels (Lagarde
Community)
• Investoreninterviews
Suche und Priorisierung von Wärmequellen
Potentialanalyse Wärmequellen
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Prio 1:
„Erneuerbare
Energien“
Prio 2:
„Abwärme,
Flexibilitäten“
Prio 3:
„Konventionelle
Erzeugung“
• Geothermie
• Solarenergie
• Abwassernutzung
• Lokale zeitliche Wärme-
und Kälte-Verschiebungspotentiale
• Prozesswärme
• Fernwärmeanbindung auf
Basis von Prozesswärme
eines Müllheizkraftwerkes
Benchmarking anhand Potentialen und
Nachhaltigkeit (Vorbewertung)
Potentialanalyse Wärmequellen
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V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8
Innovation O + ++ ++ + +++ --- --
Image O + ++ O ++ +++ --- --
Kühlung +++ +++ ++ --- --- + - ---
Platzbedarf - --- ++ ++ +++ + O +++
Energielieferung ++ ++ O + --- +++ ++ --
Lokale Emission
(Schall/CO2)
+++ +++ +++ +++ +++ + - +++
Deckungsbeitrag
Heizenergie
-- O -- --- - O + +++
Deckungsbeitrag EE -- - -- --- - O O ---
Summe O ++ ++ - + +++ --- --
Maximale mögliche Deckungsraten
0 20 40 60 80 100
V1: Geothermie, Erdsonden (WP)
V2: Geothermie, Flächenkollektoren (WP)
V3: Abwasserwärme (WT)
V4: Trinkwasser (WT)
V5: Industrielle Prozesswärme (WP)
V6: PtG, PV, KWK und WP
V7: Außenluft (WP)
V8: Fernwärme
Deckungsbeitrag
Deckungspotential Erneuerbare Energie
Deckungspotential Heizenergie
Methode
Nutzung eines Optimierungsmodells zur techno-
ökonomischen Auslegung von Energiesystemen (siehe
OptIn-Tool1,2)
Techno-ökonomische Bewertung des
Sektorkopplungspotentials
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1) Jan von Appen, et. al.: Sizing and improved grid integration of residential PV systems with heat pumps and battery
storage systems, IEEE Transactions on energy conversion
2) Jan von Appen, Incentive design, sizing and grid integration of residential PV systems with heat pumps and battery
storage systems, 15th International Conference on the European Energy Market (EEM) 2018
Ziel der Untersuchung
• Analyse der Wechselwirkung zwischen Gebäude und
Netzinfrastruktur für verschiedene Systemkonfigurationen
• Analyse der Nutzung der PV-Energie für:
Elektrischen Eigenverbrauch
Wärmeerzeugung mit Wärmepumpen (V2, V3, V4)
Gaserzeugung mittels PtG (V6)
Gegenstand der Untersuchung
Unterscheidung mehrerer Anlagenkonfigurationen von PV-
Anlagen, elektrischen Eigenverbrauch, elektrischen
Wärmpumpen und Batteriespeichern
Zentralität der Anlagenstandorte: Zentral vs. Dezentral
Priorisierung der Nutzung der PV-Energie für
Wärmegestehung
Im zentralen Konzept werden Netzentgelte und Steuern, die durch Nutzung
des öffentlichen Netzes entstehen vernachlässigt.
Grad der Nutzung der PV-Energie für
Wärmegestehung
Betriebs-
konfiguration
PV-Last PV-Last-
WP
PV-Last-WP
(WP hat
Priorität)
Zentralität
Anlagen
Standort
Anlagen-
konfiguration
Dezentral
Zentral Exemplarische Darstellung auf der nächsten
Folie
Techno-ökonomische Bewertung des
Sektorkopplungspotentials (Gesamtes Lagarde Areal)
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Ergebnisse der saisonalen Energieanalyse
für die zentrale Variante Erkenntnisse
• Zentrales Konzept hebt Flexibilitäten, aufgrund
unterschiedlicher Nutzungstypen der Einzelgebäude
• Nutzung von PV-Energie für Wärmegestehung abh.
der Priorisierung (Kum. Jährliche PV-Erzeugung = 1,9 GWh)
PV+WP: Winter: 1 MWh, Übergang: 15 MWh,
Sommer: 20 MWh
PV+WP (Prio): Winter: 235 MWh, Übergang: 186
MWh, Sommer: 69 MWh
• Problematisch bei zentraler Variante: Entkopplung
von Wärme- und Stromsektor durch rechtliche
Rahmenbedingungen nötig.
Wärme
• Kaltes-Sole-Netz
• Warmes-Netz
• Energiezentrale
• Parkpaletten
• Eingrenzung auf
Lagarde-West
Grenze
Förderrahmen
Unsicherheiten
Stadtentwicklung
Resultierende Netzinfrastruktur
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Strom
Aufbau eines „elektrischen Betriebs-
netzes“ für die Kopplung der Wärme-
erzeugungsanlagen
Trennung von PV-Erzeugung für
Wärmeerzeugung von Eigenverbrauch und
sonst. PV-Anlagen und damit Verlust von
Flexibilität im Gesamtsystem
Ökonomische Ineffizienz des
Gesamtsystems durch den Aufbau einer
parallelen Netzinfrastruktur
Wirtschaftlichkeit in Bezug auf das
Wärmeversorgungssystem („Wärmenetze
4.0“) gegeben.
Legende
Resultierendes Wärmeversorgungskonzept
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69
0 M
Wh
900 MWh
300 MWh
Deckungsausgleich für Lastspitzen 70 MWh
Stromnetz 100 % Erneuerbare Energie möglich
Photovoltaik
Freie Kühlung
Erdsonden Saisonaler Speicher
Kälte 175 MWh
TWW
Heizung Kaltes
Nahwärme-netz
+ 20 MWh Gewinne
Wärmepumpen
Abwasser als mögliche Ergänzung
Fernwärme Müllheizkraftwerk
TWW
Heizung
Trinkwasser Wärme
Sonnenenergie
PtG-Anlage 68 % el. Wirkungsgrad
Nahwärme-netz mit 1.400
m³ Speicher
KWK-Anlage 40 % Rückverstromung - Stromgeführt -
Erdgasnetz Speicherfunktion Elektrisches
Betriebsnetz
600 MWh
890 MWh
1.900 MWh 2.580 MWh
960 MWh
440 M
Wh
250 MW
h
direkt
Restwärme
54
0
MW
h
440 MWh
370 MWh
Erdkollektor Wärme/Kälte
390 MWh
Max
. 752
M
Wh
175 MWh 175 MWh
Energiequellen
Kälte
Speicher
Strom
Wärme
Gas
Resümee
14.05.2019 © VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V.
Deckungsbeiträge (66% Erneuerbare
Energien)
Zentrale Erkenntnisse
• Deckungsraten Erneuerbarer Energien >
50% in urbanen Quartieren mit teilweiser
Bestandsbebauung aus techno-
ökonomischer Sicht möglich
• Aktueller ordnungspolitischer Rahmen
hemmt die Umsetzung „sektorüber-
greifender Gesamtsystem Konzepte“
Danksagung
Die in diesem Beitrag vorgestellten
Inhalte wurden vom BMWi im Rahmen
des Programms "Wärmenetze 4.0"
unterstützt. Die Autoren danken den
Mitarbeitern der Projektpartner
BUILD.ING Consultants + Innovators
GmbH, des Fraunhofer IEE und der
Universität Bamberg für die
Zusammenarbeit innerhalb des
Projekts.
Nächste Schritte
• Abstimmung der Konzepte und Schnittstellen
bezüglich der Technischen Gebäudeausstattung mit
den Investoren
• Skizzenerstellung für die Umsetzungsphase innerhalb
„Wärmenetze 4.0“
• Weiterentwicklung und Integration des
Mobilitätskonzeptes
Ausblick
14.05.2019 © VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V. 16
Vielen Dank für
Ihre Aufmerksamkeit!
14.05.2019 17
Internationaler ETG-Kongress 2019
Ansprechpartner:
Daniel Then
Fraunhofer IEE
Tel. +49 561 7294-275
daniel.then@iee.fraunhofer.de
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