Die Masterthesis wurde im Rahmen des Forschungsprojektes “Smart Power Hamburg” am Center for Demand Side Integration der HAW Hamburg angefertigt. Ziel war es, ehemalige Zivilschutzgebäude in Hamburg zu identifizieren, deren Potenzial für eine Konversion zu einem sogenannten Energiebunker als besonders hoch einzuschätzen ist. Die gewählte Standardkonfiguration eines solchen Energiebunkers besteht aus einem Wärmespeicher, einer thermischen Solaranlage sowie einem oder mehreren Blockheizkraftwerken und einem Heißwassererzeuger als Spitzenlastkessel. Die ausgewählten Objekte bilden ein Energiebunker-Netzwerk in Form eines virtuellen Kraftwerks, das zukünftig eine dezentrale, effiziente und insbesondere flexible Strom- und Wärmeerzeugung nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung ermöglichen soll.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Motivation
1.2. Ziele und Grenzen
1.3. Methodik und Randbedingungen
2. Grundlagen
2.1. Smart Grid und die Bedeutung von Wärmespeichern
2.2. Systemkomponenten des Energiebunkers
2.2.1. Wärmespeicher
2.2.2. Kraft-Wärme-Kopplung und Blockheizkraftwerke
2.2.3. Solarkollektoren
2.2.4. Heißwassererzeuger
2.3. Netzinfrastruktur in Hamburg
2.3.1. Wärmenetz
2.3.2. Stromnetz
2.3.3. Erdgasnetz
3. Auswahl und Konversion der Bunkeranlagen
3.1. Vorbemerkungen und Einschränkungen
3.2. Datenbeschaffung, Datenbereinigung und Vorauswahl
3.2.1. Zivilschutzdaten der Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt
3.2.2. Erstellung einer Datenbank für potenzielle Bunkeranlagen
3.2.3. Bewertung und Vorauswahl der Zivilschutzbauten
3.3. Auswahl und Beschreibung geeigneter Konversions-Bunker
3.3.1. Verifizierung des Nutzungsstatus der Bunkeranlagen und Beschaffung von standort- und gebäudetechnischen Daten
3.3.2. Bewertung der Erdgas- und Stromnetzinfrastruktur für die Bunkerauswahl
3.3.3. Speicherkapazität des Energiebunker-Netzwerkes
4. Dynamische Analyse / Modellierung eines Energiebunkers
4.1. Systembeschreibung und Eingangsparameter
4.1.1. Systembeschreibung und Eingangsparameter
4.1.2. Auslegungskriterien und Eingangsdaten des Simulationsmodells
4.2. Parametrierung des Bunkermodells
4.2.1. Auslegungsrechnung und variable Parametrierung durch Initialisierungsskripte
4.3. Zeitgesteuerte Simulation des Bunkermodells
4.3.1. Modellierung des Solarkollektors
4.3.2. Modellierung des Wärmespeichers
4.3.3. Modellierung des Blockheizkraftwerkes
4.3.4. Modellierung des Heißwassererzeugers
5. Visualisierung und Auswertung des Simulationsmodells
5.1. Speichersystem
5.2. Kollektorsystem
5.3. Blockheizkraftwerk und Heißwassererzeuger
5.4. Elektrische Pumpenleistung
6. Fazit und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Masterthesis untersucht das Potenzial ehemaliger Zivilschutzbunker in Hamburg für eine Konversion zu sogenannten Energiebunkern. Ziel ist es, durch die Einbindung von Wärmespeichern, Blockheizkraftwerken, Solarkollektoren und Spitzenlastkesseln ein virtuelles Kraftwerk zur dezentralen, effizienten Strom- und Wärmeerzeugung in einem städtischen Netzwerk aufzubauen.
- Identifizierung und Bewertung geeigneter Bunkerstandorte in Hamburg
- Entwicklung eines technisch machbaren Energiebunker-Modells
- Modellierung und Simulation mittels Matlab/Simulink zur Analyse verschiedener Lastszenarien
- Untersuchung der Systemintegration in bestehende Wärme-, Strom- und Gasnetze
- Dimensionierung von Wärmespeichern und Erzeugereinheiten
Auszug aus dem Buch
2.2.1.1. Funktionsweise und genereller Aufbau
Wärmespeicher werden in den angestrebten Größenordnungen von mehr als 1.000 Kubikmetern häufig als Verdrängungsspeicher ausgeführt. Sie speichern thermische Energie indem bspw. erwärmtes Wasser aus den Wärmetauschern der BHKW oder der Solarthermieanlage, das sich im Speicherbehälter befindende kalte Wasser verdrängt. Im umgekehrten Sinne verhält es sich beim Entladevorgang, wo warmes Wasser im Speicher durch kaltes Rücklaufwasser aus dem Wärmenetz ersetzt wird. Die sich im Behälter befindende Wassermasse bleibt bei Belade- wie Entladevorgang immer konstant.
Für die Speicherung von Wärme kann auf der Basis des Speicherprinzips generell zwischen drei verschiedenen Arten unterschieden werden [FK12, S. 10f.]:
• Sensible Wärmespeicher: Sie verändern beim Lade- oder Entladevorgang ihre „fühlbare“ Temperatur.
• Latentwärmespeicher: Sie verändern beim Lade- oder Entladevorgang nicht ihre „fühlbare“ Temperatur, sondern das Wärmespeichermedium ändert seinen Aggregatzustand. Meistens ist das der Übergang von fest zu flüssig (bzw. umgekehrt). Das Speichermedium kann über seine Latentwärmekapazität hinaus be- oder entladen werden, was erst dann zu einer Temperaturerhöhung führt.
• Thermochemische Wärmespeicher oder Sorptionsspeicher (Silicagel oder Zeolithe): Sie speichern die Wärme mit Hilfe von endo- und exothermen Reaktionen.
Zudem kann zwischen offenen, im Erdreich eingebauten sogenannten Aquiferspeichern und den üblichen Behälterkonstruktionen unterschieden werden. Aufgrund der erforderlichen Einbindung in bestehende Wärmesysteme, die Heißwasser als Trägermedium verwenden, und der Unterbringung in Bunkeranlagen ist eine sensible Wärmespeicherung in meist zylindrischen Speichertanks aus Stahl zu bevorzugen [FK12, S. 30 und 69]:
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die energiepolitischen Ziele Deutschlands sowie das Forschungsprojekt "Smart Power Hamburg" und die spezifische Fragestellung der Arbeit bezüglich der Nutzung von Bunkeranlagen als Wärmespeicher.
2. Grundlagen: Erläutert das Konzept des Smart Grid und die systemrelevanten Komponenten eines Energiebunkers, einschließlich der Netzinfrastruktur in Hamburg.
3. Auswahl und Konversion der Bunkeranlagen: Beschreibt die Recherche, Datenbankerstellung und das Bewertungsverfahren zur Identifizierung der zehn am besten geeigneten Bunkerstandorte in Hamburg.
4. Dynamische Analyse / Modellierung eines Energiebunkers: Dokumentiert die mathematische und systemtechnische Modellierung des Energiebunkers in Matlab/Simulink sowie die Definition der verschiedenen Analyseszenarien.
5. Visualisierung und Auswertung des Simulationsmodells: Präsentiert die Ergebnisse der Simulation für die drei definierten Szenarien hinsichtlich der Speicherleistung, Kollektorleistung und der Betriebsweisen von BHKW und HWE.
6. Fazit und Ausblick: Fasst die Ergebnisse der Potenzialanalyse und der Simulation zusammen und bewertet die Eignung der untersuchten Bunkeranlagen für eine energetische Nutzung im Sinne der Energiewende.
Schlüsselwörter
Energiebunker, Wärmespeicher, Kraft-Wärme-Kopplung, Blockheizkraftwerk, Smart Grid, Simulationsmodell, Matlab/Simulink, Hamburg, Zivilschutzbunker, Lastmanagement, Wärmenetz, Solarkollektoren, Konversion, Speicherkapazität, Energiewende.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit analysiert das Potenzial, ehemalige Zivilschutzbunker in Hamburg zu Energiebunkern umzubauen, um sie als Speicher und Erzeuger in ein städtisches Wärmenetz zu integrieren.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind Wärmespeicherung, dezentrale Energieerzeugung durch Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), Systemmodellierung und Netzinfrastrukturbewertung.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Die Arbeit untersucht, wie viel thermische Energie und Speichervolumen maximal in die Hamburger Bunkerinfrastruktur integriert werden können, um ein innerstädtisches Wärmespeicher-Netzwerk aufzubauen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine technische Potenzialabschätzung durchgeführt, die durch ein zeitgesteuertes Simulationsmodell in Matlab/Simulink zur energetischen Auswertung unterstützt wird.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil befasst sich mit den technischen Grundlagen, der Datenbankerstellung für Bunkerstandorte sowie der Modellierung, Parametrierung und Simulation des Energiebunkers unter verschiedenen Szenarien.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Energiebunker, Wärmespeicher, Blockheizkraftwerk (BHKW), Smart Grid und Lastabdeckung.
Warum sind gerade Klotzbunker für das Vorhaben geeignet?
Klotzbunker verfügen über ausreichend große, zusammenhängende Innenflächen und eine robuste Bauweise, die eine Installation großer Speichertanks und technischer Aggregate ermöglicht.
Welchen Einfluss haben die Kollektorsysteme auf die Gesamtleistung?
Die Kollektorsysteme haben einen eher geringen Einfluss auf die thermische Leistung des Gesamtsystems im Vergleich zu den Blockheizkraftwerken, tragen aber zur Optimierung und Minimierung der Speicherverluste bei.
- Quote paper
- Matthias Scholz (Author), 2014, Potenzialanalyse von innerstädtischen Energiebunkern, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/281889
