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Netzentlastung und Dekarbonisierung von thermischen Netzen durch thermische Energiespeicherung

Mike Schoch; Florian Stucki

Titel

Netzentlastung und Dekarbonisierung von thermischen Netzen durch thermische Energiespeicherung

Autor/in

Datierung

09.06.2023

Beschreibung

Zur Erreichung des Klimaziels Netto-Null bis 2050 spielt der Ausbau thermischer Netze eine zentrale
Rolle. Diese Arbeit befasst sich daher mit dem Einfluss von zentralen und dezentralen thermischen
Energiespeichern (TES) auf die Dekarbonisierung und Netzentlastung von thermischen Netzen.
In der Untersuchung zur CO2-Reduktion wird die Substitution fossiler Spitzenlastenergie mit einer
Excel-Berechnung analysiert. Dabei wird quantifiziert, was das TES-Volumen und die
Grundlastleistung für eine Auswirkung haben. Die Netzentlastung wird anhand einer Simulation mit
der Software «Dymola» untersucht. Hierbei werden die TES dezentral platziert und ihr Einfluss auf
den Druckverlust in den Verteilleitungen untersucht. Beide Berechnungen stützen sich dabei auf
bereinigte Messdaten des Fernwärmenetzes der KVA in Buchs SG (32 MW).
Die Ergebnisse zeigen, dass TES einen entscheidenden Beitrag zur Erreichung der Klimaziele leisten
können. Obwohl TES mit geringeren Volumina den grössten relativen Einfluss auf die
Spitzenlastsubstitution haben (tCO2/m3
TES), reduziert sich der CO2-Ausstoss mit steigendem
Speichervolumen stetig weiter. Die Wirtschaftlichkeitsberechnung ergibt, dass Grossspeicheranlagen
für eine vollständige Dekarbonisierung innerhalb von 20 Jahren amortisiert werden, sofern eine
Differenz von 7.6 Rp./kWh zwischen Nutzenergiepreis der Grund- und Spitzenlast besteht. Aus rein
wirtschaftlicher Sicht fällt das optimale TES-Volumen jedoch deutlich kleiner aus, nämlich mit etwa
1.1 % des Volumens für eine vollständige Dekarbonisierung.
Die dezentrale Platzierung von TES hat einen erheblichen Einfluss auf die Netzentlastung. Durch das
Entladen können punktuell auftretende Druckverluste um über 50 % reduziert werden. Die Dauer der
Entlastung ist dabei vom TES-Volumen und der gewählten Ladestrategie abhängig. Es zeigt sich
jedoch, dass die Förderenergie der Pumpen nur marginal reduziert wird und somit nahezu keinen
Einfluss auf die Betriebskosten hat.
Abschliessend ist festzuhalten, dass TES in thermischen Netzen sowohl ökologisch wie auch
ökonomisch einen Mehrwert generieren. Das optimale Volumen der TES ist von diversen
Projektfaktoren abhängig und muss deshalb für jedes Netz individuell betrachtet werden. Bei
ausreichend Platz und genügend hoher Energiepreisdifferenz zwischen Grund- und Spitzenlast ist
eine vollständige Dekarbonisierung durch TES empfehlenswert und zwingend in Betracht zu ziehen.

To achieve the climate goal of net-zero emissions by 2050, the expansion of thermal grids plays a
central role. Therefore, this study focuses on the influence of centralized and decentralized thermal
energy storage (TES) on the decarbonization and grid relief of thermal networks.
The analysis of CO2 reduction examines the substitution of fossil peak load energy using an Excel
calculation. It quantifies the impact of TES volume and base load capacity. The grid relief is
investigated through a simulation using the "Dymola" software, where decentralized TES placement
and their influence on pressure loss in distribution pipes are examined. Both calculations are based
on adjusted measurement data from the district heating network of the waste incineration plant in
Buchs SG (32 MW).
The results show that TES can make a significant contribution to achieving climate targets. While TES
with smaller volumes have the greatest relative impact on peak load substitution (tCO2/m3
TES), the
CO2 emissions continue to decrease steadily with increasing storage volume. The economic
calculation reveals that large-scale storage systems can be amortized for complete decarbonization
within 20 years, provided there is a difference of 7.6 Rp./kWh between the base load and peak load
energy prices. However, from a purely economic perspective, the optimal TES volume is considerably
smaller, approximately 1.1% of the volume required for complete decarbonization.
The decentralized placement of TES has a significant impact on grid relief. Discharging can reduce
localized pressure losses by more than 50%. The duration of relief depends on the TES volume and
the chosen charging strategy. However, the energy consumption of the pumps is only marginally
reduced, thus having negligible influence on operating costs.
In conclusion, TES in thermal networks generate both ecological and economic value. The optimal
TES volume depends on various project factors and needs to be individually considered for each
network. When sufficient space is available and there is a significant energy price difference between
base load and peak load, complete decarbonization through TES is highly recommended and should
be seriously considered.

Urheberrechtshinweis