Das Projekt stellt sich vor

In dem Projekt Smart Heat Grid Hamburg werden während einer vierjährigen Laufzeit intelligente Konzepte für alle Ebenen des Wärmenetzes entwickelt und deren Wirksamkeit durch umfangreiche Feldtests in einem großen Nahwärmenetz in Hamburg-Wilhelmsburg nachgewiesen.

Die Veränderungen im Zuge der Energiewende haben u.a. durch die höhere Fluktuation im Stromsektor auch Einfluss auf den Wärmesektor. So können zum einen durch flexible Kraft-Wärme-Kopplungs (KWK)-Anlagen oder Wärmepumpen in Kombination mit Wärmespeicherung Schwankungen auf der Stromseite sinnvoll kompensiert werden. Zum anderen wird zur Zielerreichung der Energiewende ebenfalls eine erhöhte Wärmeerzeugung durch erneuerbare Erzeuger benötigt.

Damit sowohl der flexible stromgeführte KWK-Betrieb als auch die Erzeugung durch erneuerbare Wärmeerzeuger optimal in Wärmenetze integriert werden kann, möchte das Konsortium, bestehend aus der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg, der Hamburg Energie GmbH und der eNeG Gesellschaft für wirtschaftlichen Energieeinsatz mbH, die Entwicklung und testweise Umsetzung eines intelligenten Wärmenetzes durchführen.

Abgeleitet aus den Erkenntnissen des Forschungsprojektes „Smart Power Hamburg“ (SPH) soll im Rahmen dieses Nachfolgeprojekts untersucht werden, wie durch die Integration einer intelligenten Wärmeinfrastruktur der Anteil Erneuerbarer Energien an der Strom- und Wärmeerzeugung sowie die Gesamteffizienz maximiert werden kann.

Welche Motivation hat Smart Heat Grid Hamburg?

Im Rahmen der Energiewende hat die Bundesregierung beschlossen, bis 2050 den Anteil Erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung auf mindestens 80 % zu erhöhen. Zusätzlich soll auf der Wärmeseite der Verbrauch von Primärenergie um 80 % gesenkt werden. Als weitere Maßnahme soll der Anteil der KWK-Stromerzeugung weiter angehoben werden. Der steigende Anteil der Erneuerbaren Energien - insbesondere die Erzeugung durch Wind- und Solarenergie – sorgt dabei für eine fluktuierende Stromerzeugung.

Aus diesen Entwicklungen der Energiewende resultieren folgende Herausforderungen für den Wärmesektor: 

  1. Erneuerbarer Strom, der sehr volatil ist, kann durch die Sektorenkopplung mit dem vergleichsweise trägen Wärmesektor besser verwertet werden. 
  2. Ein flexibler Betrieb von KWK-Anlagen zum Ausgleich der volatilen elektrischen Erzeugung kann nur erreicht werden, wenn der Wärmebedarf ebenfalls flexibilisiert wird. Ein höherer Anteil der KWK-Stromerzeugung kann nur durch den Ausbau und die Verdichtung von Nah- und Fernwärme umgesetzt werden.
  3. Gleichzeitig wird eine höhere Integration von erneuerbaren Wärmeerzeugern (z.B. Solarthermie oder Geothermie) im Wärmenetz erfolgen. Damit alle diese Komponenten sich ergänzen statt behindern, ist eine intelligente Anlagenkoordination notwendig.

Aus allen diesen Maßnahmen resultiert eine höhere Fluktuation der Wärmeerzeugung. Für einen flexiblen Betrieb, der den Herausforderungen des zukünftigen Energiemarktdesigns genügt, ist es deshalb notwendig, die Wärmenachfrage von der Wärmeerzeugung zu entkoppeln. Wärmenetze werden in der Regel als passives Element in der Energielieferkette betrachtet. Jedoch bietet das Wärmenetz mit seinen Anschlussstationen und den Wärmeabnehmern ein enormes Potential für Effizienz- und Flexibilisierungsmaßnahmen. Wie die Erfahrung aus dem Vorgängerprojekt „Smart Power Hamburg“ zeigt, ist hierfür nicht ausschließlich das Vermessen des gesamten Netzes in Echtzeit für einen effizienten und flexiblen Betrieb ausreichend. Vielmehr werden intelligente Konzepte benötigt, um einen optimalen Netzbetrieb sicherzustellen. Dazu ist es elementar, alle an der Wärmeversorgung beteiligten Anlagen optimiert zu koordinieren.

Ähnlich wie ein Smart Grid im elektrischen Sektor kann ein intelligentes Wärmenetz (Smart Heat Grid) sich auf ändernde Randbedingungen einstellen und somit flexibel und effizient mehr Erneuerbare Energien integrieren. Die zur Realisierung eines solchen Smart Heat Grid notwendige Infrastruktur (Anlagentechnik, Hydraulik und IKT) soll in diesem Projekt erforscht werden.

Arbeitsziele

Erweiterung der bestehenden Simulationsumgebung um SmartHeatGrid (SHG)-Komponenten
Die Erweiterung der bestehenden Simulationsumgebung hat mehrere Effekte: Zum einen bietet sie eine Plattform zum Entwickeln und Testen von Algorithmen. Zum anderen kann Sie als Planungswerkzeug bei der Entwicklung und Umsetzung von konstruktiven Konzepten helfen. Zusätzlich kann durch eine Kopplung von Simulation und Leitsystem eine spätere Nutzung im Betrieb erfolgen.

Konzepte und Feldtests einer Smart-Heat-Infrastruktur
Es werden Einsatzmöglichkeiten für unterschiedliche erneuerbare und stromgekoppelte Erzeuger untersucht. Dabei wird die gesamte Netzinfrastruktur zur Effizienz- und Flexibilitätssteigerung genutzt. Eine Möglichkeit zur Realisierung der Flexibilität ist die aktive Integration der Sekundärseite (Wärmelasten).

Entwicklung von Mess-, Steuer- und Regelungskonzepten (MSR-Konzepten)
Das Hauptziel der MSR-Konzepte besteht in der Entwicklung kostengünstiger Komponenten und von standardisierten Schnittstellen, wie z.B. eines neuen „Smart-Heat-Grid-ready“-Standards.

Entwicklung von Betriebskonzepten
Es werden Betriebskonzepte erarbeitet, die einen konkurrierenden Erzeugermarkt unter ökologischen Randbedingungen ermöglichen. Neben der Erzeugerkoordination soll auch die Sekundärseite integriert werden, sodass hier mehr Flexibilität durch z.B. thermisches Lastmanagement entsteht. Dazu muss bereits bei der Anlagenplanung überwacht werden, dass das Wärmenetz nicht überlastet wird und so ggf. eine Neuplanung der vorhandenen Anlagen (Redispatch) durchgeführt wird. Ziel aller Betriebskonzepte ist die Optimierung des Gesamtbetriebes.

Entwicklung von Betriebsüberwachungskonzepten
Die Betriebsüberwachungskonzepte stellen in Echtzeit sicher, dass alle geplanten Prozesse des SHG wie geplant ablaufen. Dazu soll der Zustand detektiert und Kennzahlen zur Live-Auswertung des Systems gebildet werden. Eine zentrale Überwachung detektiert Fehler durch Aggregation von Daten (operations analytics). Neben der Echtzeitauswertung werden auch historische Daten archiviert und betrachtet. Es werden Konzepte entwickelt, wie aus Echtzeitdaten und historischen Daten automatische Optimierungsmaßnahmen hergeleitet werden können. Auch Defekte und Manipulationen sollen so aufgespürt und gemeldet werden.

Entwicklung von Integrationskonzepten
Die oben genannten Konzepte sind nur umsetzbar, wenn Schnittstellen mit Externen bzw. Dritten definiert sind. Dies sind auf der einen Seite die Schnittstelle zum (Wärme-)Kunden. Hier werden Konzepte erarbeitet, die einen Anreiz für effiziente und flexible Abnahme sowie ggf. für Rückspeisung ermöglichen. Auf der anderen Seite sind gesetzliche und ökonomische Rahmenbedingungen zu analysieren sowie Schnittstellen zu definieren. Damit ein Transfer auf andere Netze ermöglicht wird, sollen durch Abstraktion der Erkenntnisse Methoden zum Transfer auf andere Wärmenetze entwickelt werden.

Weiterführende Informationen

Das Projekt ist im Zusammenhang mit den Forschungsschwerpunkten EnOB, EnEff:Stadt bzw. EnEff:Wärme zu sehen: 

Die Projektpartner