Ganzheitliche Bewertung innovativer mobiler thermischer Energiespeicherkonzepte für Baden-Württemberg auf Basis branchen- und betriebsspezifischer Wärmebedarfsstrukturen : Endbericht

Abstract

Im Zusammenhang mit der Energiepreis- u. Klimaschutzdiskussion werden vielfältige Anstrengungen zu technischen, wirtschaftlichen u. ökologischen Verbesserungen innerhalb des Energiesystems in Baden-Württemberg unternommen. Ein Aspekt umfasst die Nutzung industrieller Abwärmemengen. Dabei kann die Nutzung innerhalb des Quellenstandorts erfolgen (interne Abwärmenutzung) oder durch externe Nutzer. Für die Speicherung u. den möglichen Transport der Abwärme zu externen Nutzern stehen neben den leitungsgebu.enen verschiedene leitungsungebu.ene Systeme mit zur Verfügung, die unter dem Begriff „Mobile Wärme“ zusammengefasst werden. Die Ziele des Vorhabens umfassen die ganzheitliche Bewertung dieser verschiedenen Wärmespeicherkonzepte, bei denen es sich um das Thermoölverfahren, die Gruppe der Latentwärmespeichermedien u. die Zeolithspeichertechnik handelt. In einem ersten Schritt werden die physikalischen u. technischen Rahmendaten der jeweiligen Technik ermittelt u. die entsprechenden Anlagenkonzepte erläutert. Nachfolgend wird der bestehende Wärmebedarf in Baden-Württemberg nach Verbrauchssektoren (Industrie, GHD, Haushalte), Temperatursegment sowie der räumlichen Verteilung auf Kreisebene bestimmt. Es zeigt sich, dass in Baden-Württemberg der kreisweit höchste Wärmebedarf im Ortenaukreis, im Rhein-Neckar-Kreis, dem Ostalbkreis u. dem Landkreis Heidenheim vorliegt. Gleichzeitig erfolgt, ebenfalls aufgelöst nach Temperaturbereich u. räumlicher Verteilung, die Abschätzung des zur Verfügung stehenden industriellen Abwärmeaufkommens der einzelnen Branchen. Die Daten des Wärmebedarfs u. des Abwärmeangebots in Baden- Württemberg werden in einem Grafischen Informationssystem (GIS) erfasst u. editiert. Den nächsten Schritt bildet die Schaffung eines Bewertungstools für die ökologische Bilanzierung von Speicheranwendungen über die Lebenszyklusphasen Bau, Betrieb u. Entsorgung der Anlagen. Die parametrisierte Ausgestaltung des Tools speziell auf die Bedürfnisse der Wärmespeicherung bietet gegenüber gängigen Programmen dieser Art eine wesentlich einfachere Handhabbarkeit, die sowohl bei der Ermittlung von Emissionswerten als auch bei der Optimierung von Anlagen u. Konzepten in ökologischer Hinsicht zum Tragen kommen kann. Die praktische Anwendung der Lebenszyklusanalyse erfolgt anhand konkreter Beispielen für mögliche Pilotprojekte der Mobilen Wärme in Baden-Württemberg. Anschließend erfolgt die Ermittlung der wirtschaftlichen Rahmendaten, die sich über die gesamte Prozesskette von der Abwärmeauskopplung über den Transport bis zur Nutzung im Wärmeversorgungssystem des Anwenderstandorts erstreckt. Zur einfachen Abschätzung der wirtschaftlichen Kennwerte potenzieller Anwendungsfälle werden die ermittelten Wirtschaftlichkeitsdaten in ein parametrisiertes Modell der Kostenrechnung für alle betrachteten Speicherkonzepte integriert. Die Anwendung des Kostenmodells wird ebenfalls anhand der bereits in der ökologischen Bilanzierung betrachteten konkreten Fallbeispiele veranschaulicht. Neben der wirtschaftlichen u. ökologischen Bilanzierung dieser möglichen Projekte erlauben die erhaltenen Kennwerte auch die Bestimmung der jeweiligen CO2-Vermeidungskosten. Dabei zeigt sich, dass mobile Speichersysteme bezüglich des CO2-Ausstoßes konventionellen, auf dem Einsatz von Erdgas basierenden Wärmeversorgungssystemen deutlich überlegen sind. Die aus ökologischer Sicht vorteilhaften Aktionsradien der einzelnen Systeme liegen dabei sehr deutlich oberhalb des unter den derzeitigen Rahmenbedingungen in wirtschaftlicher Hinsicht darstellbaren Spektrums. Da die zur Verfügung stehenden Techniken der Wärmespeicherung in der Praxis mit anderen Nutzungsmöglichkeiten, wie etwa der Stromerzeugung, konkurrieren, werden die entsprechenden Techniken in einem eigenen Abschnitt beschrieben u. ebenfalls bezüglich ihrer wirtschaftlichen u. ökologischen Kenndaten analysiert. Für die betrachteten Fallbeispiele der Wärmespeicherung werden ausgewählte Nutzungsalternativen in ökologischer u. ökonomischer Hinsicht bilanziert. Es zeigt sich, dass die Techniken der Wärmespeicherung, insbesondere auch das auf hohe Leistungen u. Nutzungsdauern angewiesene Thermoölverfahren, diesbezüglich auf harte Konkurrenz trifft, die bei mittel- bis langfristig steigenden Strompreisen noch weiter profitiert. Dennoch bieten die Systeme der Mobilen Wärme ein bereites Einsatzpotenzial u. einen möglichen kostengünstigen Beitrag zur Reduktion der CO2-Emissionen in Baden-Württemberg. Um dieses Potenzial heben zu können, bedarf es der Umsetzung von Demonstrationsprojekten, um die bislang noch bestehenden Hemmnisse überwinden zu können. Hierzu bieten sich als Wärmequellen Stahlwerke, Gießereien, Glasfabriken oder Zement- u. Ziegelwerke für das Thermoölverfahren sowie Biomasse- u. Biogasanlagen für die Latentwärmespeicherkonzepte an. Geeignete Wärmenutzer kommen insbesondere aus dem Bereich der öffentlichen Einrichtungen oder liegen in der Einbindung in bereits bestehende Wärmenetze.

In the discussion of energy prices and climate protection, attention is paid to technical, economic and ecological improvements of the energy system in Baden-Wuerttemberg. One of the issues is the amount of use of industrial waste heat. This use can take place at the site where the waste heat is generated (internal waste heat utilization) or simply externally. For storing and transporting the waste heat to external users, apart from grid-bou. systems, grid-free systems can also be adopted. These systems are referred to as “mobile heat”. The objective of the study is to deliver a holistic assessment of different heat storage concepts that involve the thermal oil technique, the group of latent heat storage media and the zeolite storage technology. To start with, the physical and technical parameters of the respective technology are determined and the corresponding plant concepts are described. Next, the current heat demand in Baden-Wuerttemberg is ascertained and sorted by consumption sectors (industry; trade, commerce and service sectors; households), temperature segment as well as spatial distribution at district level. It is shown that in Baden-Wuerttemberg, the highest heat demand can be fou. in the districts Ortenau, Rhine-Neckar, Ostalb and Heidenheim. Simultaneously, the amount of available industrial waste heat resources of each individual sector are estimated and similarly sorted by temperature range and spatial distribution. The data of the heat demand and the waste heat supply in Baden-Wuerttemberg are then recorded and edited in a geographic information system (GIS). The next step is to build up tools for the assessment of storage applications over the life cycle period of construction, operation and disposal of the plants and facilities. The parameterized configuration of the tools that caters particularly for requirements of heat storage, offers a much simpler handling than the common programs of this kind. The simpler handling makes an impact on the areas of determination of emission values and the optimization of plants and concepts in ecological point of view. The practical application of the life cycle analysis can be accomplished by using concrete examples for possible pilot projects of mobile heat in Baden- Wuerttemberg. Next step is the identification of key economic data that stretches from waste heat storage to transport and further to utilization in the heat supply system at the end user site across the entire process chain. For ease of estimation of the economic indicators of potential applica tions, the identified economic data is integrated into a parameterized model of cost calculation for all observed storage concepts. The application of the cost model is illustrated by concrete case studies that are already taken into account in the life cycle assessment. In addition, apart from the economic and life cycle assessment of these possible projects, the identified data can also determine the related CO2 abatement costs. One of the findings shows that mobile storage systems are significantly superior to conventional heat supply systems using natural gas with respect to CO2 emissions. But the distribution radii of each individual system are from ecological point of view obviously broader than those from an economic perspective u.er the prevailing circumstances. Since the available techniques of heat storage compete in practice with other possible uses, for instance with power generation, the corresponding techniques are described in a separate section and similarly analysed with regard to their economic and ecological characteristics. In regard to the mentioned case studies of heat storage, selected alternative uses are compared in ecological and economic terms. Another finding is, the technique of heat storage, in particular including the thermal oil technique that is heavily dependent on high performances and operation lives, faces stiff competitions with power production. The heat storage suffers as a consequence increasingly from rise in electricity prices in mid and long term, since it is more profitable to generate electricity. Nevertheless, the systems of the mobile heat offer a readily available potential and possibly a cost-effective contribution to the reduction of CO2-emissions in Baden-Wuerttemberg. In order to increase this potential, pilot projects are necessary so as to overcome the existing obstacles that still exist. For this purpose, steel mills, fou.ries, glass factories or cement and brick yards for the thermal oil technique as well as biomass and biogas plants for the latent heat storage concepts can be used as heat source. Suitable heat users can be the public facilities and buildings such as hospitals, schools, swimming pools, or the integration into existing heat grids.