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Simulationsbasierte Analyse der Wirtschaftlichkeit kalter Wärmenetze und Entwicklung von Geschäftsmodellen

  • Um eine nachhaltige und effiziente Wärmeversorgung im Gebäudesektor zu erreichen, bieten Wärme- und Kältenetze der fünften Generation eine vielversprechende Möglichkeit. Diese können mit einer Vielzahl regenerativer Energien auf einem niedrigen Temperaturniveau gespeist werden. Mit Hilfe dezentraler Wärmepumpen in den Gebäuden wird die niedertemperierte Energie für die Heizung und Brauchwarmwasser-erwärmung nutzbar gemacht. Zudem bietet die bidirektionale Arbeitsweise dieser Netze eine Bereitstellung von Kälte. Um Erkenntnisse im Hinblick auf die Ökonomie von Wärmenetzen der fünften Generation zu erlangen, erfolgt im Rahmen dieser Arbeit eine simulationsbasierte Analyse der Wirtschaftlichkeit sowie die Entwicklung möglicher Geschäftsmodelle. Dabei wird für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eine angepasste Berechnungsmethodik, basierend auf der Richtlinie VDI 2067, entwickelt. Um Informationen zu realisierten Netzen zu erhalten, wird zunächst eine Marktrecherche kalter Wärmenetze in Deutschland durchgeführt. Dabei werden sowohlUm eine nachhaltige und effiziente Wärmeversorgung im Gebäudesektor zu erreichen, bieten Wärme- und Kältenetze der fünften Generation eine vielversprechende Möglichkeit. Diese können mit einer Vielzahl regenerativer Energien auf einem niedrigen Temperaturniveau gespeist werden. Mit Hilfe dezentraler Wärmepumpen in den Gebäuden wird die niedertemperierte Energie für die Heizung und Brauchwarmwasser-erwärmung nutzbar gemacht. Zudem bietet die bidirektionale Arbeitsweise dieser Netze eine Bereitstellung von Kälte. Um Erkenntnisse im Hinblick auf die Ökonomie von Wärmenetzen der fünften Generation zu erlangen, erfolgt im Rahmen dieser Arbeit eine simulationsbasierte Analyse der Wirtschaftlichkeit sowie die Entwicklung möglicher Geschäftsmodelle. Dabei wird für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eine angepasste Berechnungsmethodik, basierend auf der Richtlinie VDI 2067, entwickelt. Um Informationen zu realisierten Netzen zu erhalten, wird zunächst eine Marktrecherche kalter Wärmenetze in Deutschland durchgeführt. Dabei werden sowohl technische als auch wirtschaftliche Aspekte beleuchtet. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse erfolgt die Festlegung der analysierten Energiesysteme sowie der betrachteten Geschäftsmodelle. Die Energiebereitstellung des ersten Systems erfolgt mit Hilfe eines Geothermiekollektorfeldes. Das zweite System wird durch die Kombination aus einem Geothermiekollektorfeld, einer zentralen Luft-Wärmepumpe und einem Elektroheizkessel versorgt. Für die Komponenten der kalten Wärmenetze werden mit Hilfe von Produktrecherchen Kostenkurven ermittelt. Für die entwickelten Kostenkurven erfolgt eine Validierung. Die Geschäftsmodelle werden anhand der Liefergrenze der dezentralen Wärmepumpen unterschieden. Beim ersten Geschäftsmodell liegt die Leistungsgrenze vor der Hauseinführung und stellt somit die Energie auf einem niedrigen Temperaturniveau bereit. Im zweiten Geschäftsmodell wird die Leistungsgrenze hinter der Wärmepumpe gezogen, sodass die nutzbare Energie bereitgestellt wird. Die Betrachtung der Energiesysteme und Geschäftsmodelle wird durch zwei fiktive Quartiere ermöglicht. Eines davon mit primärer Wohnbebauung, das andere bestehend aus Wohn-, Büro- und Verwaltungsgebäuden. Es wird aufgezeigt, dass ein wirtschaftlicher Betrieb kalter Wärmenetze realisiert werden kann. Unter Berücksichtigung von Fördergeldern und eines bestimmten Ertrags des Betreibers resultieren Wärmegestehungskosten für den Abnehmer von rund 0,25 €/kWh. Die Wärmegestehungskosten können anhand realer Daten verifiziert werden. In der Arbeit wird der sensitive Einfluss verschiedener Parameter, wie beispielsweise des Strompreises, der Dimensionierung oder Effizienz der Komponenten auf die Wirtschaftlichkeit der Energiesysteme untersucht. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass eine pauschale Festlegung des besten Energiesystems und Geschäftsmodells nicht möglich ist. Demnach bedarf es entsprechend den Randbedingungen eines Projektes einer individuellen Betrachtung zur Ermittlung des idealen Systems und Geschäftsmodells.show moreshow less
  • In order to achieve a sustainable and efficient heat supply in the building sector, 5th generation district heating and cooling (5GDHC) networks offer a promising option. These can be fed with a variety of renewable energies at a low temperature level. By installing decentralized heat pumps in the buildings, the low-temperature energy can be used for heating and domestic hot water. Additionally, the bidirectional operation of these networks offers possibilities for cooling. To gain insights into the economics of 5GDHC, a simulation-based analysis of the economic viability as well as the development of possible business models is carried out as a part of this thesis. Thereby an adapted calculation methodology, based on the guideline VDI 2067, is developed. In order to obtain information of realized networks, a market research of 5GDHC networks in Germany is conducted first. Technical and also economic aspects are examined. Based on the gained knowledge, the development of the analyzed energy systems and considered business models areIn order to achieve a sustainable and efficient heat supply in the building sector, 5th generation district heating and cooling (5GDHC) networks offer a promising option. These can be fed with a variety of renewable energies at a low temperature level. By installing decentralized heat pumps in the buildings, the low-temperature energy can be used for heating and domestic hot water. Additionally, the bidirectional operation of these networks offers possibilities for cooling. To gain insights into the economics of 5GDHC, a simulation-based analysis of the economic viability as well as the development of possible business models is carried out as a part of this thesis. Thereby an adapted calculation methodology, based on the guideline VDI 2067, is developed. In order to obtain information of realized networks, a market research of 5GDHC networks in Germany is conducted first. Technical and also economic aspects are examined. Based on the gained knowledge, the development of the analyzed energy systems and considered business models are undertaken. The energy supply of the first system is provided by a geothermal collector field. The second system is supplied by the combination of a geothermal collector field, a central air-source heat pump and an electric boiler. Cost curves are determined for the components of the 5GDHC networks by means of product research. Validation is performed for the developed cost curves. The business models are differentiated based on the performance limit of the decentralized heat pumps. In the first business model, the supply limit is located before the house connection and thus provides the energy at a low temperature level. In the second business model, the performance limit is placed behind the heat pump so that the usable energy is provided. The consideration of energy systems and business models is enabled by two fictitious districts. One with primary residential buildings, the other consisting of residential, office and administrative buildings. It is shown that an economic operation of 5GDHC networks can be realized. Taking into account subsidies and a certain yield of the operator, the levelized cost of heat for the consumer resulting in about 0.25 €/kWh. The levelized cost of heat can be verified by real data. In this thesis, the sensitive influence of different parameters, such as the electricity price, the dimensioning or efficiency of the components on the economic efficiency of the energy systems is pointed out. The results illustrate that it is not possible to determine the best energy system and business model across the board. According to the boundary conditions of a project, an individual consideration is required to determine the ideal system and business model.show moreshow less

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Metadaten
Author:Alexander Haußner
URN:urn:nbn:de:bvb:92-opus4-9518
Referee:Kai Schäfer
Document Type:Master's Thesis
Language:German
Publishing Institution:Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm
Granting Institution:Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm
Release Date:2023/06/14
Tag:Kalte Nahwärme, Kalte Wärmenetze; Wirtschaftlichkeit nachhaltiger Energiesysteme
5GDHC
GND Keyword:Energiesystem <Energieversorgung>
Pagenumber:153
First Page:V
Last Page:XVI
institutes:Fakultät Verfahrenstechnik
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
Licence (German):Keine Lizenz - Deutsches Urheberrecht gilt
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