Abschlussbericht der „FED 2.0 - Weiterentwicklung von FAST-Energy-Design“

Aufzählung der wichtigsten wissenschaftlich-technischen Ergebnisse und anderer wesentlicher Ereignisse.

AP1 Überarbeitung und Weiterentwicklung des Rechenkerns

AP1.1 Aufbereitung der Randbedingungen und der Approximation

Im ersten Arbeitspaket 1.1 wurden die Randbedingungen zur energetischen und wirtschaftlichen Bewertung von Energieversorgungssystemen aus dem vorangegangenen Forschungsprojekt Fast-Energy-Design (Stand 2019) auf den aktuellen Stand gebracht. Hierzu zählen unter anderem die veränderten Randbedingungen bei der Förderung von Energieversorgern, wie beispielsweise das neue Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz, welches am 01.01.2021 in Kraft getreten ist.

Zudem wurde die wirtschaftliche Betrachtung durch Überarbeitung der Kostenfunktionen einzelner Erzeuger verbessert, welche in dem vorangegangenen Forschungsprojekt noch nicht einen so hohen Detailgrad, wie beispielsweise die Kostenfunktion der Blockheizkraftwerke, erreicht hatten.

Des Weiteren wurde im Vorgängerprojekt die Möglichkeit einer Approximation von Wärmelastprofilen nach Hellwig integriert, welche mit wenigen Informationen (Anwendungsfall, Jahreswärmebedarf, Außentemperaturverlauf) die Prognose eines stündlichen Jahresverlaufs der Wärmelast ermöglicht. Dieser bestehende Programmcode wurde dahingehend erweitert, dass dieser den Tages-/ Wochenverlauf der einzelnen Anwendungsfälle realistischer abbilden kann. Hierfür wurde die bestehende Berechnung um Stundenfaktoren für jeden einzelnen Wochentag erweitert, sodass nicht mehr nur ein Unterschied zwischen Werktag und nicht Werktag berücksichtigt wird, sondern zwischen jedem einzelnen Wochentag. Ferner wurden die Anwendungsgebiete bzw. die Regressionskoeffizienten aktualisiert und um ein Summenlastprofil für Gewerbe, Handel und Dienstleistung erweitert (Quelle: Standardlastprofile TU München).

Abschließend wurde in Arbeitspaket 1.1 die Benutzerschnittstelle fortlaufend den mit Arbeitspaket 1.2 und 1.3 einhergehenden Änderungen bzw. Erweiterungen angepasst.

AP1.2 Komplexitätssteigerung des vorhandenen Rechenkerns

Im Arbeitspaket 1.2 wurde die Komplexität des Rechenkerns durch Erweiterung vorhandener Technologien und der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung gesteigert. Bei der Erweiterung vorhandener Technologien wurde der Fokus auf Technologien gelegt, welche künftig zunehmend an Bedeutung für die Energieversorgung Deutschlands im Bereich der Fern- bzw. Nahwärmenetze gewinnen werden. Neben Blockheizkraftwerken und Spitzenlastkessel werden dies zukünftig vermehrt Wärmepumpen, Solarthermie und Photovoltaik sein. Insbesondere die Nutzung des Synergieeffektes zwischen Blockheizkraftwerken und Wärmepumpen ist heute sowohl ökologisch als auch ökonomisch sehr vorteilhaft. Ohne die Implementierung von erneuerbaren Erzeugern, insbesondere Wärmepumpen, werden beispielsweise die Anforderungen zur Förderung von Wohngebäuden in Neubaugebieten (Richtlinie für die Bundesförderung für effiziente Gebäude – Wohngebäude) nicht zu erfüllen sein.

Erweiterung integrierter Technologien:

Zunächst wurde für eine differenziertere ökologische und ökonomische Bewertung unterschiedlicher Wärmepumpentechnologien (Sole/Wasser & Luft/Wasser) die Einbindung der Wärmequellen in die COP Berechnung überarbeitet. Analog zur COP Berechnung von Luft-/Wasser-Wärmepumpen werden nun auch bei Sole-/ Wasser-Wärmepumpen diese anhand zeitlich aufgelöster Wärmequellentemperatur bestimmt. Für Sole-/ Wasser-Wärmepumpen ist es hierbei möglich, entweder auf ein hinterlegtes Erdtemperaturprofil zuzugreifen oder unter Angabe der mittleren Jahreserdreichtemperatur mit Hilfe eines synthetischen Lastprofils ein spezifisches Erdreichtemperaturprofil zu erstellen. Außerdem werden die Wärmeverluste zwischen Wärmequellen und Wärmepumpenkreislauf wärmequellenspezifisch korrekt dargestellt. Im Zuge der Überarbeitung der Wärmepumpentechnologien wurden diese um Mono- und Split-Luft-/Wasser-Wärmepumpen erweitert. Die Integration von Blockheizkraftwerken in das Optimierungstool hat im vorangegangenen Projekt bereits einen hohen Stand erreicht. Erweitert wurden diese um die Möglichkeit der Nutzung von Brennwertwärmetauschern zur verbesserten Nutzung von Abgasströmen. Darüber hinaus wurden kleinere Verbesserungen an weiteren Technologien, wie beispielweise die Berücksichtigung von Degradation bei Photovoltaikanalagen, vorgenommen. Hierbei wird beispielweise von einem Leistungsverlust von 0,1 % im Jahr bei kristallinen Modulen ausgegangen und über die Lebensdauer, welche in der Wirtschaftlichkeitsberechnung verwendet wird, berechnet.

Grundlegend wurde die Ermittlung der Netzverluste überarbeitet. Die alte überschlägige Ermittlung der Netzverluste, über einen fixen prozentualen Anteil des Gesamtwärmebedarfs, wurde durch eine exakte Netzverlustrechnung ersetzt. Diese Berechnung berücksichtigt sowohl die unterschiedliche Rohrleitungsdimensionierung im Netz, d.h. Rohrleitungsdurchmesser/- längen der Haupt- und Nebenrohrleitungen, als auch die Fluidtemperatur.

Erweiterung der wirtschaftlichen Betrachtung:

Die im vorangegangenen Projekt implementierte Wirtschaftlichkeitsbewertung setzt als Bewertungskriterium lediglich die Gestehungskosten basierend auf einer Kapitalkostenrechnung an. Für eine aussagekräftigere Bewertung der Wirtschaftlichkeit eines Energieversorgungskonzeptes wird allerdings eine Kombination aus einer statischen und einer dynamischen Methode benötigt. Um eine möglichst aussagekräftige wirtschaftliche Betrachtung zu integrieren, wurden zunächst einzelne statische Methoden (z.B. Kosten-/Gewinnvergleichsrechnung) und einzelne dynamische Methoden (z.B. Interne Zinsfuß-/Annuitätenmethode) betrachtet. Zusätzlich zur Gestehungskostenrechnung wurde dann als dynamische Methode die Kapitalwertmethode und als statische Methode die Betrachtung der Amortisationszeit ausgewählt. Als Grundlagen zur Entscheidungsfindung dienen dabei die Kapitalwertmethode sowie die ermittelten Gestehungskosten, während zur Bewertung des Anlagerisikos die Amortisationsrechnung herangezogen werden kann. Die erweiterte Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ermöglicht dem interessierten Planer eine fundierte wirtschaftliche Einschätzung des Energieversorgungssystems. 

AP1.3 Einbindung neuer Regelungsstrategien

In Arbeitspaket 1.3 wurden Änderungen an dem Optimierungstool vorgenommen, um dem interessierten Planer mehr Regelungsmöglichkeiten zu ermöglichen. So wurde die Möglichkeit integriert, die Netzvorlauftemperatur witterungsgeführt zu regeln, sowie die Regelung der einzelnen Erzeuger und die Hysterese-Regelung des Wärmespeichers dementsprechend angepasst.

Um den Nutzen des Synergieeffekts zwischen einem Blockheizkraftwerk und einer Wärmepumpe besser abbilden zu können, wurde die Regelungsmöglichkeit der Wärmepumpe angepasst. Aufgrund der momentanen Förderungsbedingungen und des zusätzlichen wirtschaftlichen Vorteils bei Stromeigennutzung ist es bei einer kombinierten Nutzung (siehe Abbildung 1) vorteilhaft, das Blockheizkraftwerk im Grundlastbetrieb und die Wärmepumpe im Mittellastbetrieb zu fahren.