In dieser Fallstudie wird ein Quartier mit Wärme- und Kältenetz teilweise mit Hilfe von Wasserstoff-Technologien versorgt. Der gesamte Planungsprozess kann im nPro-Tool durchgeführt werden: Von der Bedarfsberechnung über die Rohrdimensionierung bis hin zur Auslegung der Wärme- und Kälteerzeuger in der Energiezentrale.

Quartier

Es wird eine Energieversorgung für ein beispielhaftes Quartier mit 6 Gebäuden geplant. Als Standort des Quartiers wird Berlin (Deutschland) angenommen.

Abbildung 1: Quartier mit den 6 zu versorgenden Gebäuden. Die Energiezentrale befindet sich in Gebäude A.

Bedarfsanalyse

In einem ersten Planungsschritt werden die Bedarfe für Wärme, Kälte und Strom für jedes Gebäude ermittelt. Es wird angenommen, dass alle Gebäude Raumwärme und Trinkwarmwasser über ein Wärmenetz beziehen. Raumklimatisierung sowie Prozesskälte (z. B. Serverkälte) wird über ein separates Kältenetz gedeckt. Als Strombedarfe werden allgemeine Nutzerstrombedarfe (z. B. für Beleuchtung) sowie Bedarfe für Elektromobilität angenommen. Die Bedarfsprofile können in nPro mit wenigen Klicks für jedes der 6 Gebäude erstellt werden. Jahresprofile mit stündlicher Auflösung sind für die Berechnung des Quartiers von großer Wichtigkeit, da zeit- und saisonabhängige erneuerbare Quellen (hier Photovoltaik) genutzt werden sollen.

Tabelle 1: Gebäudeübersicht des zu versorgenden Quartiers

Gebäude	Nutzung	Nutzfläche	Heizwärme- bedarf	TWW- Bedarf	Kühl- bedarf	Strom- bedarf
A	Hotel	20000 m²	1700 MWh	640 MWh	980 MWh	3000 MWh
B	Büro	18000 m²	1170 MWh	144 MWh	1062 MWh	936 MWh
C	Einzelhandel	24500 m²	1593 MWh	74 MWh	784 MWh	2352 MWh
D	Museum	16500 m²	1073 MWh	83 MWh	578 MWh	859 MWh
E	Theater	6700 m²	503 MWh	40 MWh	101 MWh	563 MWh
F	Restaurant	2500 m²	188 MWh	125 MWh	50 MWh	358 MWh

Last an Energiezentrale

Nach dem Hinzufügen aller Gebäude zum Quartier, können in nPro die Lastverläufe in stündlicher Auflösung dargestellt werden. In Abbildung 2 bis 5 sind die Bedarfsprofile an der Energiezentrale für Wärme, Kälte und Strom abgebildet.

Abbildung 2: Wärmebedarfsprofil an der Energiezentrale

Wärmebedarfsprofil an der Energiezentrale als Heatmap

Abbildung 3: Wärmebedarf an der Energiezentrale dargestellt als Heatmap

Abbildung 4: Kältebedarfsprofil an der Energiezentrale

Strombedarfsprofil an der Energiezentrale als Heatmap

Abbildung 5: Strombedarf des Quartiers dargestellt als Heatmap

Rohrdimensionierung

In nPro können für Wärmenetze die Durchmesser der Rohre halb-automatisch dimensioniert werden. In diesem Auslegungsbeispiel werden für die Wärmenetzberechnung die in Tabelle 2 aufgelisteten Annahmen getroffen.

Tabelle 2: Annahmen für die Wärmenetzberechnung

Parameter	Wärmenetz	Kältenetz
Relative Wärme-/Kälteverluste	12 %	8 %
Pumparbeit (Anteil an Wärme-/Kältelieferung)	1 %	2 %
Gleichzeitigkeitsfaktor	0,9	0,9
Temperaturspreizung	20 K	10 K
Rohrrauhigkeit	0,1 mm	0,1 mm

In Abbildung 6 ist beispielhaft die Dimensionierung des Strangs zu den Gebäuden B, C und D dargestellt. Das nPro-Tool schlägt in einer Vorauslegung drei Rohrdurchmesser für den betreffenden Abschnitt vor. In diesem Fall sind dies die Durchmesser DN150, DN200 und DN250. nPro berechnet dann zu jedem der vorgeschlagenen Durchmesser das maximale Druckgefälle sowie weitere Kennzahlen wie die jährliche Pumparbeit oder maximalen Strömungsgeschwindigkeiten. Auf Basis dieser Informationen kann der Benutzer den optimalen Rohrdurchmesser auswählen.

Abbildung 6: Druckgefälle im Vor- und Rücklaufs des Wärmenetzstrangs, welcher die Gebäude B, C und D versorgt für drei verschiedene Rohrdurchmesser.

Die für dieses Quartier optimierten Rohrdurchmesser für das Wärme- (rot) und Kältenetz (grau) sind in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7: Rohrdimensionierung des Wärme- (rot) und Kältenetzes (grau).

Im nPro-Tool können Rohrdurchmesser für Wärme-, Kälte- und kalte Nahwärmenetze halb-automatisiert bestimmt und optimiert werden.

Auslegung der Energiezentrale

Für das vorliegende Quartier soll eine Wärme- und Kälteversorgung sowie eine Stromversorgung unter anderem durch Wasserstoff-Technologien realisiert werden. Für die Auslegung wird angenommen, dass ein 3-MW-Anschluss an ein bestehendes Fernwärmenetz vorhanden ist. Die restliche Wärme soll über einen Elektrolyse-Prozess gedeckt werden. Der zu installierende Elektrolyseur erzeugt aus überschüssigen PV-Strom Wasserstoff, welcher in das Gasnetz eingespeist wird. Die entstehende Abwärme wird in das Wärmenetz eingespeist. Die PV-Stromerzeugung ist in Abbildung 8 dargestellt.

Abbildung 8: Erzeugung von PV-Strom über den Verlauf des Jahres

In Abbildung 9 ist der Betrieb des von nPro optimierten Energieversorgungssystems abgebildet. Die Kältelasten werden über Kompressionskältemaschinen abgedeckt. Die optimale PV-Anlagenkapazität beträgt 58800 m² und beträgt damit der maximal installierbaren Modulfläche für dieses Quartier. 38 % des benötigten Stroms im Quartier wird aus dem Stromnetz bezogen. 62 % des Stroms werden vor Ort durch die PV-Anlage erzeugt. Die Wasserstoff-Einspeisung ist in Abbildung 10 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass fast ausschließlich überschüssiger PV-Strom in Wasserstoff umgewandelt wird. Insgesamt werden 92,1 % der Wärmebereitstellung mit Hilfe des Fernwärmenetzes gedeckt. 7,9 % werden durch die Abwärme des Elektrolyse-Prozesses gedeckt. Die CO₂-Emissionen für dieses Quartier betragen 4370 t pro Jahr.