MA – Konzeptstudie für ein CO2-neutrales Energiesystem im ländlichen Raum

Konzeptstudie für ein CO2-neutrales Energiesystem im ländlichen Raum

Kurzzusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit werden Konzepte für ein CO2-neutrales Energiesystem für die kommunalen Liegenschaften einer Gemeinde erstellt. Insgesamt werden fünf Konzepte vorgeschlagen und entwickelt, um auf verschiedene technische Voraussetzungen flexibel reagieren zu können. Dabei werden unter anderem neue und vielversprechende Technologien mit wenig Praxiserfahrung berücksichtigt. Weiterhin werden bei der Konzepterstellung die örtlichen Gegebenheiten miteinbezogen. Mit den Konzepten und Ergebnissen dieser Arbeit soll die Energieerzeugung ökologisch nachhaltiger und eine neue Technologie auf Praxistauglichkeit untersucht werden. Andere Gemeinden sollen zur Nachahmung angeregt und somit die Energiewende vorangetrieben werden.

Simulationen in Matlab helfen dabei die Konzepte auszulegen und energetisch sowie grob wirtschaftlich zu bewerten und miteinander zu vergleichen. Hierbei wird auf eine zeitliche Betrachtung, die deutlich aussagekräftiger ist als eine bilanzielle, Wert gelegt. Die dafür benötigten Lastprofile werden unter Zuhilfenahme der VDI4655 (Referenzlastprofile von Wohngebäuden für Strom, Heizung und Trinkwarmwasser) selbst erstellt.

Im Mittelpunkt der Konzepte steht ein Blockheizkraftwerk (BHKW), welches über ein lokales Strom- und Wärmenetz mit den Liegenschaften und weiteren Strom- und Wärmeerzeugern verbunden ist. Diese unterscheiden sich je nach Konzept. Das BHKW wird durch Biogas betrieben, welches mittels einer TCR-Anlage (Thermo-Katalytisches-Reforming) aus Klärschlamm gewonnen wird. Je nach Konzept werden verschiedene Auslegungen und Ansteuerungen des BHKWs getestet. Teilweise wird es von anderen Wärme- und Stromerzeugern, wie (Groß-) Wärmepumpe, Pelletfeuerung und Photovoltaik, ergänzt. Ein Konzept beinhaltet ein kaltes Nahwärmenetz, somit wird kein BHKW benötigt. Eine Deckung des Wärmebedarfs ist eine wesentliche Voraussetzung.

Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass die Liegenschaften in Kirchahorn mit ökologischer Energie versorgt werden können und der CO2-Ausstoß reduziert werden kann. Dabei besteht die Möglichkeit vor Ort vorhandene Potentiale zu nutzen, wobei je nach Größe der TCR-Anlage Klärschlamm aus der Umgebung importiert werden muss. Die besten Resultate im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und CO2-Neutralität zeigt ein Konzept mit sehr groß ausgelegtem BHKW. Als Ergänzung dieser Arbeit sieht das weitere Vorgehen eine Aufnahme der exakten Verbrauchsdaten und eine genauere wirtschaftliche Betrachtung vor.

Abstract

In this thesis, concepts for a CO2-neutral energy system for the municipal properties of a village are developed. Altogether, five concepts are proposed and developed, in order to adapt different technical requirements. Among others, new and promising technologies with little practical experience will be considered. Furthermore, the local conditions are taken into account in the concept development. With the concepts and results of this work, energy production is to be made more ecologically sustainable and a new technology is to be examined for its practical suitability. Other communities are to be encouraged to imitate it and thus promote the energy turnaround.

Simulations in Matlab help design the concepts as well as evaluate and compare them energetically and roughly economically. In doing so, value is placed on a temporal view, rather than on a balance sheet view. The load profiles required for this are created with the help of VDI4655 (reference load profiles of residential buildings for electricity, heating and hot water).

At the center of the concepts is a combined heat and power unit (CHP), which is connected to the properties and additional electricity and heat generators via a local electricity and heat network. These differ depending on the concept. The CHP is operated by biogas, which is produced from sewage sludge by means of a TCR (Thermo-Catalytic-Reforming) plant. Depending on the concept, different designs and controls of the CHP are tested. In some cases, it is supplemented by other heat and power generators, such as (large-scale) heat pumps, pellet firing and photovoltaics. One concept includes a cold local heating network, so no CHP is needed. The heat demand is covered by each of the concepts.

The results of the work show that the properties of the village can be supplied with ecological energy, thus reducing CO2 emissions. It is possible to use local potentials, whereby sewage sludge has to be imported from the surrounding area, depending on the size of the TCR plant. The best results in terms of economy and CO2 neutrality are achieved by a concept with a very large CHP unit. Problems associated with this, such as excess heat and lack of redundancy, have yet to be solved. As a supplement to this work, the further procedure requires a recording of the exact consumption data and a more precise economical consideration.

Bearbeiter: Julian Martin

Betreuer: Bernd Wunder;
Richard Öchsner (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761116; Email: Richard.Oechsner@iisb.fraunhofer.de

Für Studienfächer: Energietechnik, WING

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März