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Main Title: Power-to-Heat-Anlagen in der Fernwärmeversorgung
Translated Title: Heat pumps and electric boilers in district heating systems
Author(s): Mollenhauer, Eike
Advisor(s): Tsatsaronis, George
Referee(s): Tsatsaronis, George
Bardow, André
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Der Ausbau der erneuerbaren Elektrizitätserzeugung führt zu steigenden Flexibilitätsanforderungen an Erzeuger und Verbraucher und somit auch an die Fernwärmesysteme. Die bestehende Sektorenkopplung durch die Heizkraftwerke kann durch Power-to-Heat-Anlagen weiter ausgebaut und flexibilisiert werden. Die vorliegende Arbeit untersucht die Installation vonWärmepumpen und elektrischen Heizkesseln (E-Heizern) an zentralen Fernwärmestandorten mit einem Heizkraftwerk und einem gasbefeuerten Heißwassererzeuger. Hierfür wird der betriebswirtschaftlich optimale Einsatz der Erzeuger innerhalb eines Jahres mit einem gemischt-ganzzahlig linearen Optimierungsmodell bestimmt. Aus der Änderung des Betriebes, wenn die Power-to-Heat-Anlage im Fernwärmesystem installiert wird, werden die Wirtschaftlichkeit sowie die Änderungen der CO2-Emissionen und des Primärenergiefaktors abgeleitet. Es werden vier unterschiedliche Heizkraftwerkstypen sowieMarktdaten zurückliegender Jahre und ein Zukunftsszenario untersucht. DesWeiteren werden, neben den aktuell abzuführenden Steuern, Abgaben undUmlagen für den Elektrizitätsverbrauch der Power-to-Heat-Anlage, deutlich abgesenkte Nebenkosten angenommen. Wärmepumpen sind eine effiziente Möglichkeit der elektrischen Fernwärmeversorgung, da sie Energie aus der Umgebung einbinden. In den betrachteten Szenarien verdrängt die Wärmepumpe überwiegend die Wärmeerzeugung aus dem Heißwassererzeuger, wobei niedrige Strompreise auch zu einem Ersatz der Wärme aus demHeizkraftwerk führen. Um die hohen Steuern, Abgaben und Umlagen etc. beim Bezug der Elektrizität aus dem öffentlichen Netz zu umgehen, wird jedoch das Heizkraftwerk üblicherweise weiterhin für die Eigenversorgung betrieben. Für die Bewertung der CO2-Emissionen ist entscheidend, welche Emissionen der eingesetzten Elektrizität zugewiesen werden. Werden die stromspezifischen Emissionen des Heizkraftwerks angesetzt, sinken die Emissionen der Fernwärmesysteme mitGuD-Heizkraftwerken, bei den kohlebefeuerten steigen diese leicht. Wird erneuerbar erzeugte Elektrizität für den Betrieb genutzt, sinken die Emissionen entsprechend deutlich. Unter den aktuellen Rahmenbedingungen sind Investitionen in Wärmepumpen an bestehenden Fernwärmestandorten wirtschaftlich nicht attraktiv, wobei das Zukunftsszenario steigende Einnahmen prognostiziert. E-Heizer sind sehr flexibel imBetrieb und weisen verglichen mit Wärmepumpen geringe Investitionskosten auf. Eine ausschließliche Vermarktung am Day-Ahead-Spotmarkt ist durch die hohen variablen Betriebskosten unattraktiv. Zusätzliche Erlösmöglichkeiten bietet die Vorhaltung von negativer Regelleistung. Deren Leistungspreise sind in den letzten Jahren deutlich zurückgegangen, sodass auch diese nicht mehr ausreichen, umInvestitionen in E-Heizer zu begründen.Wenn der E-Heizermit erneuerbar erzeugter Elektrizität betrieben wird, kann er zu einer Absenkung der CO2-Emissionen des Fernwärmesystems beitragen; wenn die Emissionen des Heizkraftwerks angesetzt werden, steigen diese. Power-to-Heat-Anlagen können die Fernwärmeerzeugung flexibilisieren und langfristig einen Beitrag zur Dekarbonisierung der Fernwärmeversorgung leisten, jedoch sind hierfür Änderungen der energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen notwendig.
The growth of renewable power generation leads to an increased need for flexibility on both, the generation and the demand side, and therefore, district heating systems also have to be adjusted to meet those needs. One way to increase the flexibility of Combined Heat and Power (CHP) plants and to increase the coupling of the heat and electricity sector can be power-to-heat. This work analyses the integration of heat pumps and electric boilers into a generic district heating system consisting of a CHP plant and a gas-fired boiler. In order to determine the optimal economic operation of the generation units within one year a mixed integer linear program is used. The economic feasibility and the effects on the CO2 emissions and on the primary energy factor can be derived from the comparison of the unit commitment of the district heating system with and without a power-to-heat unit. The analysis considers four different types of CHP plants and economic conditions from the past as well as one projection for the future. In addition, it takes into account the effective taxes and surcharges for electrical power consumption in Germany, and presents their effect in case these are significantly reduced. Heat pumps integrate energy from the environment and therefore represent an efficient option to use electricity for district heating generation. The different scenarios show that the heat pump can mainly be used to replace the heat generation of the gas-fired boiler, and that it can only replace heat fromthe CHP plant efficiently during times of very low electricity prices. As a result of the imposed taxes and surcharges which apply to the electricity obtained from the public grid, the heat pump can nearly exclusively be run on power fromthe CHP plant. To evaluate the CO2 emissions, it is essential to define the emissions related to the consumed electricity. If the emissions allocated with the electricity generated in the CHP plant are considered, the emissions of the district heating system are slightly reduced for the scenarios with a gas-fired CHP plant, and increased for the scenarios with a coal-fired plant. If renewably-generated electricity is used, the emissions decrease substantially. Currently, heat pumps installed in district heating systems with CHP plants are not economically feasible under the applicable regulations in Germany. However, the future scenario predicts rising revenues. Electric boilers have lower investment costs compared to heat pumps and can be operated with a higher flexibility. Nevertheless, if the electric boiler is operated according to the electricity prices of the day-ahead spot market, operating hours and revenues are very low since its variable operating costs are very high. The control reserve market offers additional revenues. During the last few years the capacity prices for negative control reserve dropped substantially, so that the revenues are not high enough to justify investments anymore. Only, if the electric boiler is powered by renewably-generated electricity, the CO2 emissions of the district heating systems can be reduced, otherwise, they will will be even higher. Power-to-heat can increase the flexibility of district heating generation systems and could contribute to decarbonize them in the long-run. Nevertheless, adjustments of the legal framework in Germany would be necessary in order to achieve this.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9940
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8950
Exam Date: 9-Jul-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 20-Sep-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Kraft-Wärme-Kopplung
Power-to-Heat
Wärmepumpe
Einsatzplanung
Fernwärme
combined heat and power
electric boiler
heat pump
price based unit comitment
district heating
Sponsor/Funder: BMWi, 03ET1188A, EnEff:Wärme - Der Beitrag thermischer Speicher zur Steigerung der Energieeffizienz, Flexibilität und Wirtschaftlichkeit der Fernwärme- und Stromerzeugung in KWK-Anlagen
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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