Wärmenetze der Zukunft intelligent geregelt

In privaten Haushalten entfällt mehr als die Hälfte des Endenergieverbrauchs auf das Heizen der Wohnräume. Ein wichtiger Schritt in Richtung einer klimaneutralen Zukunft ist deshalb die Bereitstellung von CO₂-neutraler Wärme. Da erneuerbare Wärmequellen wie Solarthermie, Geothermie oder Abwärme begrenzt verfügbar sind, wird CO₂-arme Wärme zukünftig oftmals durch die Elektrifizierung der Wärmeerzeugung (Power-to-Heat) bereitgestellt werden. Da sich Wärme verhältnismäßig einfach und preisgünstig speichern lässt, spielt Power-to-Heat auch im Stromsektor der Zukunft eine relevante Rolle, denn es entsteht ein großes Flexibilitätspotential bei der Stromnachfrage.

„Wärmespeicher sind sehr kostengünstig, sie lassen sich in beliebigen Größen herstellen. Wenn wir ohnehin immer einen großen Teil des Stroms für Wärme verbrauchen und die Wärme speichern, dann könnten etwa in Zeiten mit viel Wind, große Mengen Wärme erzeugt und gespeichert werden, die in Zeiten mit wenig Wind zur Verfügung ständen“, beschreibt Steinke. „Das Thema Wärme, das Speichern und Elektrifizieren von Wärme, das Zusammenschalten mit natürlich bestehender Wärmeerzeugung und Wärmenetze sind überaus wichtig für den Erfolg der Energiewende.“

Wärmenetze gibt es schon länger. In Darmstadt entsteht beispielsweise bei der Verbrennung von Abfall im Müllheizkraftwerk (MHKW) neben Strom auch Fernwärme. „Typischerweise wird ein Kraftwerk, etwa ein Müllheizkraftwerk oder Kohlekraftwerk, für die Wärmeerzeugung genutzt. Damit noch mehr Menschen mit umweltfreundlicher Wärme versorgt werden können, müssen weitere Quellen dazukommen, etwa Abwärme von Fabriken, Solarthermie oder Wärmepumpen“, sagt Steinke. „Statt einem großen Einspeiser gibt es dann viele, flexibel funktionierende Einspeiser mit unterschiedlichen Temperaturen. Deshalb heißt unser Projekt ‚Methoden für flexible Wärmenetze‘.“

Um einen flexiblen Ausgleich zwischen Wärmeerzeugern, Speichern und Verbrauchern zu ermöglichen, entwickeln und erproben die Beteiligten im Projekt EnEff:Wärme – MeFlexWärme neue Konzepte und Methoden für die Forschungsbereiche „Netztransparenz“ und „Flexibilitätsteuerung“ in Bezug auf Wärmenetze.

„Das validieren wir mit detaillierten Simulationen für ein Szenario, wie das Fernwärmenetz der Stadt Darmstadt im Jahr 2030 aussehen könnte. Ebenso prüfen wir, dass die markt-basierte, dezentrale Entscheidungsfindung nicht zu stark erhöhten Kosten im Vergleich zu einer globalen mathematischen Optimierung der Einsatzpläne führt.“

„EnEff:Wärme – MeFlexWärme“ ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu intelligenten, flexiblen und kohlenstoffarmen Fernwärmesystemen. Nicht nur für die kommunale Wärmeplanung in Darmstadt, sondern auch darüber hinaus.

Am Projekt beteiligt waren neben Steinkes Fachgebiet „Energy Information Networks & Systems“ (EINS) vier weitere Fachgebiete der TU Darmstadt:

• OPT von Professor Marc Pfetsch und Professor Stefan Ulbrich (FB 4)
• MMES von Professor Stefan Niessen (FB 18)
• TTD von Professor Peter Stephan (FBFB 16)
• PTW von Professor Matthias Weigold (FB 16)

Außerdem gehörten zwei Kooperationspartner aus der Industrie zum Konsortium: Die Entega AG aus Darmstadt als lokaler Fernwärmenetzbetreiber sowie Siemens, Abteilung „Technology, Energy Systems” aus Erlangen. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) förderte das Projekt insgesamt 2,35 Millionen Euro. Die TU Darmstadt hat eine Förderung von 1,3 Millionen Euro erhalten.