Niedrig-Exergie-Trassen
zum Speichern und Verteilen
von Wärme

Das Forschungsprojekt LowExTra

Das Forschungsvorhaben LowExTra untersucht und entwickelt ein neuartiges und intelligentes Mehrleiter-Netz zur Wärmeversorgung (LowExTra – Niedrig-Exergie-Trassen) auf Quartiersebene.

In Deutschland wird etwa die Hälfte der Endenergie zur Wärmeerzeugung genutzt. Deshalb ist es für eine erfolgreiche Umsetzung der Energiewende notwendig, neue Konzepte für eine effizientere Wärmeversorgung zu entwickeln. Die derzeitigen Fernwärmenetze sind durch einen klassischen Vor- und Rücklauf mit hohen Temperaturen charakterisiert und damit auf einen zentralen Wärmeproduzenten – das Heizkraftwerk – und seine Abnehmer ausgelegt (siehe Hintergrund).

Das im Forschungsprojekt LowExTra entwickelte Versorgungsnetz soll vollständig flexibel hinsichtlich Entnahme und Bereitstellung sein und zusätzlich als Wärmespeicher dienen. Nicht nur die Richtungsabhängigkeit (Vorlauf oder Rücklauf) wird dabei aufgelöst, sondern durch das Mehrleiter-System ebenfalls die bisher in den Rohrleitungen fixierten Temperaturniveaus. Das Netz kann parallel zum evtl. bestehenden Fernwärmenetz eingesetzt werden. Nach dem grundsätzlichen, durchgreifenden Wandel der elektrischen Energieversorgung in den letzten Jahren können mit LowExTra nun auch die Kundinnen und Kunden der Fernwärmeversorgung zu Prosumenten werden.

Im LowEx-Wärmenetz kann der Konsument auch gleichzeitig Produzent sein und Wärme aus unterschiedlichen, auch regenerativen Energien einspeisen. Er wird so zum Prosument.

Das übergeordnete Ziel des Projektes ist es, die Machbarkeit von Mehrleiter-Netzen grundsätzlich zu erforschen und zu analysieren, unter welchen Bedingungen die vielfältig vorliegenden Energiequellen für Wärme und Kälte durch Mehrleiter-Low-Exergie-Trassen in Neubau- und Bestandsbaugebieten technisch nutzbar gemacht werden können.
Über die technische Perspektive hinaus werden ökonomische, politische und partizipative Aspekte analysiert. Das Forschungsprojekt berücksichtigt dabei folgende vier Perspektiven:

  • die technische Umsetzbarkeit eines demokratischen Mehrleiternetzes,
  • die Wirtschaftlichkeit eines solchen Netzes,
  • die Betrachtung der notwendigen politischen Rahmenbedingungen für die Realisierung und
  • die Akzeptanz solch eines Ansatzes durch die Wirtschaft und mögliche Nutzer.

Der interdisziplinäre Forschungsansatz ermöglicht eine Aussage, unter welchen Voraussetzungen das zu entwickelnde und zu optimierende technische Konzept umgesetzt werden kann. Die betrachteten vier Perspektiven sind dabei eng verzahnt angelegt, um in einem iterativen Prozess Lösungen zu erarbeiten.

Im Rahmen des Projekts erfolgt eine testweise Implementierung und Untersuchung von LowExTra Mehrleiternetzen in der Versuchshalle des Hermann-Rietschel-Instituts der TU Berlin. Indirektes Vorbild für das Projekt sind die Konzeptionen „intelligenter“ Stromnetze und – bezogen auf Wärme/Kälte – der konventionelle Schichtenspeicher mit jeweils verschiedenen Einspeisemöglichkeiten von Umweltenergien.

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Hintergrund

Die Bundesregierung hat in den deutschen Klimaschutzzielen eine Reduktion der Treibhausgas-Emissionen um mindestens 40 Prozent bis 2020 gegenüber dem Stand von 1990 beschlossen und eine Reduzierung um mindestens 80% bis 2050. Die Energiewende ist ein zentraler Baustein zur Erreichung dieser Klimaschutzziele, indem sie vor allem den aktiven Ausbau erneuerbarer Energien und die Steigerung der Energieeffizienz vorantreibt.

Reduzierung der jährlichen Treibhausgasemmisionen gegenüber 1990

Klimaschutzziel
bis 2050
mindestens

80%

Klimaschutzziel
bis 2020
mindestens

40%

Bisher
erreicht
(bis 2013)

23.8%

Quelle: Umweltbundesamt 2015, Link

Die Energiewende wird heute in der Öffentlichkeit häufig hauptsächlich auf den Bereich der Stromversorgung bezogen, obwohl in Deutschland etwa die Hälfte der Endenergie zur Wärmeerzeugung genutzt wird und nur ca. ein Fünftel zur Stromerzeugung.

Verbrauch von Strom, Wärme und Kraftstoffen in Terawattstunden, 2012

(vorläufige Zahlen)

0
Wärme
0
Kraftstoffe
0
Strom

Quelle: AG Energiebilanzen, von Umweltbundesamt, 2014, Link

Während erneuerbare Energien bei der Stromproduktion bereits ein gutes Viertel des Endenergieverbrauchs ausmachen, ist ihr Einsatz bei der Wärmeerzeugung und -versorgung mit knapp 10% Prozent noch vergleichsweise gering.

Anteil von Strom aus erneuerbaren Energien
am gesamten Bruttostromverbrauch (2014):
Anteil von Wärme aus erneuerbaren Energien
am gesamten Energieverbrauch für Wärme und Kälte (2014):

Quelle: BMWi nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat), Link

Um die Klimaschutzziele zu erreichen, die sich Deutschland gesetzt hat, muss der Anteil der erneuerbaren Energien bis 2020 bei 18% und bis 2050 bei 60% liegen. Zum jetzigen Zeitpunkt liegt der Anteil der erneuerbaren Energien jedoch erst bei 12,4%. Dies ist auch auf den geringen Anteil der erneuerbaren Energien bei der Wärmeversorgung zurückzuführen (sowie auf den geringen Anteil im Bereich Verkehr).

Deshalb ist es für eine erfolgreiche Umsetzung der Energiewende notwendig, neue Konzepte für eine effizientere Wärmeversorgung zu entwickeln, die auch die Nutzung erneuerbarer Energien mit einbezieht. Das Forschungsprojekt LowExTra setzt an dieser Stelle an.

Die derzeitigen Fernwärmenetze sind durch einen klassischen Vor- und Rücklauf mit hohen Temperaturen charakterisiert und damit auf einen zentralen Wärmeproduzenten – das Heizkraftwerk – und seine Abnehmer (bspw. Privathaushalte) ausgelegt. Die zentralen Heiz(kraft)werke werden meist mit fossilen Energieträgern oder Biomasse betrieben. Die Wärme wird an die Verbraucher, zumeist Gebäude, geleitet, die diese zum Beheizen der Räume und zur Trinkwassererwärmung nutzen.

Im LowExTra-Projekt wird ein Mehrleiter-Wärme-/Kälte-Netz entwickelt, das im Gegensatz zu bestehenden Fernwärmenetzen in der Lage ist, Wärme nicht nur bereitzustellen, sondern auch die lokal produzierte Wärme aus dezentralen Anlagen aufzunehmen und zusätzlich als Wärmespeicher zu dienen. Nicht nur die Richtungsabhängigkeit (Vorlauf oder Rücklauf) wird dabei aufgelöst, sondern ebenfalls ein in den unterschiedlichen Rohrleitungen fixiertes Temperaturniveau (s. Das Forschungsprojekt LowExTra).

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Forschungsperspektiven

Die Konzeption, Implementierung und erfolgreiche Nutzung von intelligenten Niedrigtemperaturnetzen erfordert das Zusammenspiel von technischen, ökonomischen, politischen und partizipativen Bausteinen. Diese werden in den folgenden Modulen behandelt:

Modul 1 – Technik
(Technische Universität Berlin, Hermann-Rietschel-Institut)

Potentialanalyse, Simulation, exergoökonomische Analyse, Laborexperiment

Die technische Herausforderung eines LowEx-Mehrleiternetzes besteht darin, eine Konfiguration hinsichtlich der Anzahl der Temperaturniveaus und ihrer regelungstechnischen Verschaltung zu finden, die in der Lage ist, unterschiedliche lokale Energiequellen zu integrieren. Weiterhin ist aufzuzeigen, welche technischen Möglichkeiten sich für Neubau- und Bestandsbaugebiete ergeben und wie die Umgestaltung der Wärmeversorgung technisch erfolgen kann.

Das Modul 1 gliedert sich in vier Arbeitspakete:

  • AP1 – Potenzialanalyse und Identifikation der technischen Herausforderungen
  • AP2 – Simulation, exergoökonomische Analyse
  • AP3 – Laborexperiment und fortschreitende Simulation (HiL)
  • AP4 – Auswertung, Analyse und Vorbereitung Pilotphase

Dokumente

Bachmann, M. and Kriegel, M. (2016): Feasibility Study of a Multilevel District Heating Grid with Dissolved Supply and Return Using Modelica.

Modul 2 – Ökonomie (IÖW)

Wirtschaftlichkeitsanalyse, Finanzierungsmodelle, regionalökonomischen Effekte

Neben der technischen Analyse und Erprobung stellt die ökonomische Bewertung des Konzeptes eine zentrale Voraussetzung für die Machbarkeit dar. Das System muss sich sowohl für die Netzbetreiber als auch für potenzielle Wärmeeinspeiser und -abnehmer aus betriebswirtschaftlicher Sicht lohnen. Darüber hinaus sind volkswirtschaftliche Aspekte wie Wertschöpfungs- und Arbeitsplatzeffekte wichtig, um neben entstehenden Kosten auch den zu erwartenden Nutzen transparent zu machen.
Das IÖW untersucht die Wirtschaftlichkeit des neuartigen, intelligenten Mehrleiter-Wärmenetzes und vergleicht es mit existierenden Technologien. Die Wissenschaftlerinnen berücksichtigen dabei die unterschiedlichen Perspektiven und Bedürfnisse der involvierten Akteure wie Wärmeeinspeiser, Wärmeabnehmer und Betreiber des Netzes. Sie identifizieren zudem geeignete Finanzierungsmodelle und quantifizieren die regional-ökonomischen Effekte, die mit Bau und Betrieb eines solchen Netzes einhergehen.

Das Modul 2 gliedert sich in drei Arbeitspakete:

  • AP1 – Wirtschaftlichkeitsanalyse
  • AP2 – Identifikation geeigneter Finanzierungsmodelle
  • AP3 – Regionalökonomische Effekte

Dokumente

Fact-Sheet zur Expertenrunde „Geschäftsmodelle zum Betrieb von LowEx-Mehrleiter-Wärmenetzen“

Modul 3 – Politische Rahmenbedingungen (adelphi)

Politische Rahmenbedingungen: Bestandsaufnahme, Umfeldanalyse, Handlungsempfehlungen

Ziel der umwelt- und energiepolitischen Betrachtung in Modul 3 ist es, die vorhandenen gesetzlichen und strategischen Rahmenbedingungen zu analysieren und unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus den anderen Modulen, angemessene Instrumente und Wege zu skizzieren, um den Aufbau von LowExTra zu ermöglichen bzw. grundsätzlich voranzutreiben. Dabei sollen die Rahmenbedingungen sowohl auf politisch-strategischer als auch auf anwendungspraktischer-administrativer Ebene betrachtet werden. Einbezogen in die Betrachtungen werden die wichtigen Regelungsbereiche, betrachtet wird aber auch, welche Ansätze es etwa im Förderinstrumentarium geben könnte und geben müsste.

Das Modul 3 gliedert sich in drei Arbeitspakete:

  • AP1 – Bestandsaufnahme der aktuellen Rahmenbedingungen
  • AP2 – Strukturierte Darstellung der Akteurs-, Regelungs- und Förderlandschaft
  • AP3 – Erarbeitung von Handlungsempfehlungen

Dokumente

Fact-Sheet zur Expertenrunde „Politische Rahmenbedingungen für den Aufbau und Betrieb von LowEx-Mehrleiter-Wärmenetzen“

Modul 4 – Partizipative Produktentwicklung (nexus)

Fokusgruppen, Werkstätten, Befragungen

Die Beteiligung zukünftiger Nutzer (Verbraucher und/oder Produzenten) und Betreiber eines solchen Netzes ist ein wichtiger Faktor für den Erfolg solch eines großangelegten Infrastrukturvorhabens. Hierfür werden in Modul 4 verschiedene partizipative Bausteine durchgeführt, die potenzielle Nutzer, technische Experten, mögliche Betreiber und weitere politische Akteure in den Forschungs- und Entwicklungsprozess frühzeitig einbinden. Durch den Dialog mit für das Forschungsprojekt wichtigen Akteuren werden die Ergebnisse aus den verschiedenen Modulen durch externe Expertise angereichert und optimiert. Zusätzlich wird eine empirische Erhebung zur Akzeptanz interaktiver Wärme- und Kältenetze durchgeführt.

Das Modul 4 gliedert sich in vier Arbeitspakete:

  • AP1 – F&E-begleitende Fokusgruppen-Diskussionen
  • AP2 – F&E-Werkstätten
  • AP3 – Nutzerbefragung (gewerblich und privat)
  • AP4 – Dokumentation der Empfehlungen zur Produktoptimierung und Qualitätssicherung
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Kontakt

Technische Universität Berlin
Hermann-Rietschel-Institut

Fachgebiet GebäudeEnergieSysteme

Bahar Saeb-Gilani
Email: bahar.saebgilani@tu-berlin.de
Tel.:+49 (0)30 31426034

Marchstr. 4
10587 Berlin

IÖW – Institut für ökologische Wirtschaftsforschung GmbH, gemeinnützig

Dr. Elisa Dunkelberg
E-Mail: elisa.dunkelberg@ioew.de
Tel: +49 (0)30 8845940

Potsdamer Straße 105
10785 Berlin

adelphi

Andreas Schneller
E-Mail: schneller@adelphi.de
+49 (30) 89 000 68 – 262

Alt-Moabit 91

10559 Berlin

nexus

Institut für Kooperationsmanagement
und interdisziplinäre Forschung GmbH

Sabine Schröder
Tel.: +49 (0)30 318054-73
E-Mail: schroeder@nexusinstitut.de

Otto-Suhr-Allee 59
10585 Berlin

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Frau Herr 

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