Modellbasierte Potenzialanalyse einer sektorengekoppelten Wärmeversorgung in Schleswig-Holstein

Abstract

Zum Erreichen der deutschen Klimaziele kann eine nachhaltige Wärmeversorgung einen wichtigen Beitrag leisten. Im Zuge dessen wird in der vorliegenden Arbeit das theoretische Potenzial einer rein sektorengekoppelten Wärmeversorgung in Schleswig-Holstein untersucht. Hierfür wird anhand realer Anlagendaten ein aus BHKWs, Wärmepumpen, Power-to-Heat-Anlagen und solarthermischen Wärmeerzeugern bestehendes Wärmeversorgungssystem unter Berücksichtigung einer variablen Wärmespeichergröße und des Sanierungszustands modelliert. Die Modellierung erfolgt für gesamt Schleswig-Holstein auf Gemeindeebene. Das Verhalten der modellierten Wärmeerzeuger wird über Zeitreihen des Strompreises optimiert. Stromproduzierende Wärmeerzeuger werden bevorzugt zu Zeiten hoher Strompreise, stromverbrauchende Wärmeerzeuger zu Zeiten niedriger Strompreise betrieben. Die durch das Modell berechneten gemeindebezogenen Stromproduktions- und Strombedarfszeitreihen werden dem jeweils nächstliegenden Knotenpunkt der Hochspannungsebene des Stromnetzes zugeordnet. Hierdurch lassen sich die Auswirkungen einer rein strombasierten Wärmeversorgung sowohl auf Gemeindeebene, als auch an den Stromnetzknoten abschätzen. Die Auswertung des Simulationsmodells erfolgt für Kombinationen aus jeweils zwei unterschiedlichen Wärmespeichergrößen und Sanierungsanteilen für zwei Winter- und zwei Sommerwochen. In den Ergebnissen werden Strombedarf und Stromproduktion einer sektorengekoppelten Wärmeversorgung in Abhängigkeit der Simulationsparameter untersucht. Dabei wird näher auf die in den simulierten Zeiträumen auftretenden Spitzenwerte, Gesamtwerte und Differenzen sowie Verhältnisse zwischen Strombedarf und Stromproduktion eingegangen. Hierdurch lässt sich abschätzen, in welchen Regionen Schleswig-Holsteins besonders hohe Differenzen zwischen Stromproduktion und Strombedarf auftreten, die unter Umständen zu einem Strommangel führen können. Die durch das entwickelte Modell generierten Zeitreihen für Strombedarf und Stromproduktion können zukünftig im Rahmen einer Netzsimulation zur Abschätzung der Auswirkungen einer sektorengekoppelten Wärmeversorgung auf das Stromnetz verwendet werden.

A sustainable supply of heat can contribute significantly to the achievement of the German climate targets. The theoretical potential of a strictly sector-coupled heat supply in Schleswig-Holstein is evaluated in the course of this study. For this purpose, on the basis of real system data, a heat supply system consisting of CHPs, heat pumps, power-to-heat-systems and solar thermal heat generators is modelled, taking into account a variable size of heat storage and the state of refurbishment. Modelling is carried out at the municipal level for the whole of Schleswig-Holstein. The behavior of the modelled heat generators is optimized by time series of the electricity price. Heat generators producing electricity are preferably operated at high electricity prices, while electricity consuming heat generators are used at low electricity prices. The municipal electricity generation and electricity demand time series determined by the model as the effect of heat generation are allocated to the nearest node of the high-voltage electricity grid. This allows the effects of a solely energy-based heat supply to be estimated both at the community level and at the nodes of the electricity network. The simulation model is evaluated for combinations of two different sizes of heat storage tanks and renovation shares for two winter and two summer weeks. As a result, the demand for electricity and the generation of electricity from a sector-coupled heat supply are examined as a function of the simulation parameters. The peak values, overall values and differences, as well as the ratio between the demand for electricity and the production of electricity occurring during the simulated periods, are examined in more detail. This makes it possible to estimate in which regions of Schleswig-Holstein there are particularly high differences between electricity production and demand for electricity, which may, under certain circumstances, lead to a shortage of electricity. The time series for the demand for electricity and the generation of electricity produced by the established model can be used in the future as part of a grid simulation to predict the effects of a sector-coupled heat supply on the electricity grid.