Machbarkeitsstudie zur Ermittlung der idealen Wärmespeicher- und Wärmepumpengrösse für Gebiet Wankdorf+

Ausgangslage

Für das Gebiet Wankdorf+ soll eine vollständig erneuerbare Wärmeversorgung realisiert werden. Zentrale Bausteine dieses Energiesystems sind Wärmepumpen und thermische Speicher, deren Dimensionierung entscheidend für Versorgungssicherheit, Wirtschaftlichkeit und Systemstabilität ist. Um fundierte Investitions- und Planungsentscheide treffen zu können, müssen die Leistungsgrössen und Speicherkapazitäten auf realistische Betriebsbedingungen abgestimmt werden.

Vor diesem Hintergrund beauftragte Energie Wasser Bern (ewb) die Erstellung einer Machbarkeitsstudie zur optimalen Auslegung von Wärmepumpen und Wärmespeichern für das Gebiet Wankdorf+.

Zielsetzung

Ziel der Studie ist es, jene Kombinationen aus Wärmepumpenleistung und Speichergrösse zu identifizieren, mit denen das Gebiet Wankdorf+ zu 100 % erneuerbar mit Wärme versorgt werden kann. Zusätzlich wurde untersucht, welche Auswirkungen eine geringfügige Reduktion des erneuerbaren Anteils beispielsweise auf die Systemdimensionierung, die Betriebsweise und die Kosten hat.

Darüber hinaus sollen wirtschaftlich optimale Varianten bestimmt und eine klare Empfehlung für die weitere Planung der Wärmeerzeugung abgeleitet werden.

Methodik

Die Untersuchung basiert auf einer detaillierten numerischen Simulation des Energiesystems, welche mit historischen Wetterdaten der Jahre 2022 bis 2024 betrieben wird. Daraus wird der zeitlich hochaufgelöste Wärmebedarf abgeleitet, inklusive der typischen Morgen- und Abendspitzen.

Im Simulationsmodell können bis zu vier Wärmeerzeuger gleichzeitig berücksichtigt werden, darunter maximal zwei Wärmepumpen. Für jede Wärmepumpe wird der Leistungskoeffizient (COP) dynamisch anhand der jeweiligen Quellentemperatur berechnet. Als Wärmequellen stehen sowohl Umgebungsluft als auch Flusswasser zur Verfügung. Werden zwei Wärmepumpen eingesetzt, wird jeweils zuerst jene mit dem höheren COP genutzt, um den Strombedarf und die Betriebskosten zu minimieren.

Abbildung von Energiepreisen und Spitzenlasten

Die Simulation berücksichtigt dynamische Strompreise auf Basis von Spotmarktdaten. Dadurch kann der Einfluss volatiler Strompreise auf den Betrieb der Wärmepumpen und die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems realistisch abgebildet werden.
Für die Abdeckung von Spitzenlasten sind zusätzlich Biogaspreise hinterlegt, sodass auch der Einsatz von Spitzenlastkesseln in die wirtschaftliche Bewertung einbezogen wird.

Preisoptimierte Betriebsführung

Ein zentrales Element der Studie ist die kostenoptimierte Fahrweise von Wärmepumpen und Speicher. Bei tiefen Strompreisen wird der Wärmespeicher gezielt mit den Wärmepumpen geladen. Bei hohen Strompreisen wird bevorzugt Wärme aus dem Speicher genutzt; die Wärmepumpen werden erst zugeschaltet, wenn der Speicher weitgehend entladen ist. Diese Betriebsstrategie ermöglicht es, die Betriebskosten zu reduzieren, ohne den erneuerbaren Deckungsgrad zu beeinträchtigen.

Variantenvergleich und Ergebnis

Für unterschiedliche Kombinationen von Wärmepumpenleistung und Speichergrösse wurden energetische Kennwerte, erneuerbarer Anteil sowie Investitions-, Instandhaltungs- und Betriebskosten berechnet und miteinander verglichen. Auf dieser Basis konnte die technisch und wirtschaftlich optimale Variante identifiziert werden.

Die Studie liefert Energie Wasser Bern eine fundierte Entscheidungsgrundlage für die weitere Planung der Wärmeerzeugung im Gebiet Wankdorf+ und zeigt auf, wie eine sichere, erneuerbare und wirtschaftlich optimierte Wärmeversorgung umgesetzt werden kann.

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