Entwicklung eines treibhausgasneutralen Nahwärmequartiers durch Auswertung szenario-basierter Optimierungsrechnungen
Creators: name: Gilles, Daniel
name: :Unav
Publisher: name: Fraunhofer-Gesellschaft
Year: 2025
Subjects: Optimierungsmodell
Wohngebäude
Blockheizkraftwerk (BHKW)
Treibhausgas
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
Wärmepumpe
Photovoltaik

description: Das Thema der vorliegenden Ausarbeitung ist die ökologische und ökonomische Auswertung von szenario-basierten Optimierungsrechnungen zur Weiterentwicklung eines bestehenden Wohngebäudequartiers mit Erdgas-BHKW. Hierbei liegt der Fokus einerseits auf der Auswahl von THG-neutralen Versorgungskonzepten zur Dekarbonisierung der thermischen und elektrischen Versorgung unter Berücksichtigung verschiedener bestehender Zukunftsszenarien und andererseits auf der Ermittlung der dafür anfallenden Kosten durch die Berücksichtigung der kapital- und bedarfsgebundenen Kosten. Die Auswirkungen auf das Bestandsversorgungskonzept durch neue oder hinzukommende Anlagenkomponenten der Wärmeerzeugung, Dachflächennutzung, Warmwassererzeugung sowie E-Mobilität und geänderte Betriebszustände durch Sanierungsmaßnahmen und Systemtemperaturabsenkungen wurde bereits im Forschungsprojekt „Quartiersentwicklung auf Basis von Nahwärmeinseln mit flexiblen KWK-Systemen und Teilsanierung“ (QUENTIN) durch das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) für eine Teilmenge der szenario-basierten Optimierungsrechnungen durchgeführt. Hieraus konnte abgeleitet werden, dass THG-neutrale Versorgungskonzepte unter den Optimierungsrechnungen theoretisch vorhanden sind und durch die Betrachtung der Energiemengen auch zu einer Reduktion der bedarfsgebundenen Kosten führen. Bisweilen wurde jedoch noch keine vollständige Auswertung aller vorhandenen Optimierungsrechnungen, und damit aller möglichen Kombinationen an Anlagenkomponenten, durchgeführt und auch nicht die systemabhängigen Kapitalkosten und Kosten für den Betrieb (Instandsetzung, Wartung und Inspektion) der Anlagenkomponenten berücksichtigt. Hier knüpft die vorliegende Masterarbeit an und führt einen systemabhängigen Vollkostenvergleich der unterschiedlichen THG-neutralen Versorgungskonzepte innerhalb der festgelegten Szenarienannahmen der Optimierungsrechnungen durch. Dazu werden mittels literaturbasierter Investitionskosten die jährlichen Kapitalkosten in Form einer Annuität für jede Anlagenkomponente berechnet und den bestehenden Optimierungsrechnungen zugewiesen. Die Ergebnisse zeigen, dass zum festgelegten Investitionszeitpunkt im Jahre 2035 elektrisch betriebene Luft/Wasser-Wärmepumpen mit separater Spitzenlastabdeckung in Kombination mit Photovoltaik und Durchlauferhitzern die günstigsten jährlichen Kosten zur thermischen und elektrischen Versorgung des Wohnquartiers erreichen können. Sich daran anschließende Weiterentwicklungen der Optimierungsrechnungen (bspw. elektrische Batteriespeicher) haben zusätzliche Potenziale zur Verbesserung des Gesamtkonzepts gezeigt, weshalb weitergehende Untersuchungen auf dieser Basis durchgeführt werden sollten.
description: The present thesis focuses on the ecological and economic evaluation of scenario-based optimization calculations for the further development of an existing residential building district with natural gas combined heat and power (CHP) systems. The emphasis is placed on selecting greenhouse gas (GHG)-neutral supply concepts for the decarbonization of thermal and electrical supply, considering various existing future scenarios, and on determining the associated costs by taking into account capital and demand-related expenses. The impact of new or additional components for heat generation, roof space utilization, hot water production, electric mobility, and altered operating states due to renovation measures and system temperature reductions has already been investigated in the research project "District Development Based on Local Heating Islands with Flexible CHP Systems and Partial Renovation" (QUENTIN) by the Fraunhofer Institute for Environmental, Safety, and Energy Technology (UMSICHT) for a subset of the scenario-based optimization calculations. It was concluded that GHG-neutral supply concepts theoretically exist within the optimization calculations and could lead to a reduction in demand-related costs when considering energy quantities. However, a comprehensive evaluation of all existing optimization calculations, and therefore all possible combinations of plant components, has not yet been performed, nor have the system-dependent capital costs and operational costs (repair, maintenance, and inspection) of the plant components been considered. This thesis addresses this gap by conducting a system-dependent total cost comparison of various GHG-neutral supply concepts within the defined scenario assumptions of the optimization calculations. Using literature-based investment costs, the annual capital costs are calculated in the form of an annuity for each plant component and assigned to the existing optimization calculations. The results indicate that, at the established investment time point in 2035, electrically operated air/water heat pumps with separate peak load coverage, in combination with photovoltaics and instantaneous water heaters, can achieve the lowest annual costs for the thermal and electrical supply of the residential district. Subsequent developments of the optimization calculations (e.g., electrical battery storage) have shown additional potential for improving the overall concept, warranting further investigations based on this foundation.