Optimale Ausbaustrategie für ein bestehendes Fernwärmenetz

Die Herausforderung

Primeo Energie ist eines der grössten Wärmeversorgungsunternehmen der Schweiz und betreibt über 220 Heizungsanlagen für Wärme- und Industrie-Contracting, massgeschneiderte Wärmelösungen und Arealentwicklung in der Schweiz und im benachbarten Ausland. In der Gemeinde Muttenz bei Basel wollte Primeo Energie das bestehende Fernwärmenetz erweitern, um mehr Kund*innen anzuschliessen, mit dem Ziel höherer Rentabilität und eines Mindestanteils von 80% erneuerbarer Wärme. Das System ist jedoch bereits komplex: fünf Gebäudeknotenpunkte, fünf neue Netzsegmente und drei bestehende Energieanlagen, nämlich ein Holzabfallheizwerk und zwei Ölkessel.

Drei Dinge machten die Planung schwierig. Die freie Kapazität im bestehenden Netz schwankt monatlich und ist in den kritischen Wintermonaten unzureichend, sodass jeder Ausbau gegen eine bewegliche Randbedingung dimensioniert werden muss. Die zusätzliche Last hängt davon ab, ob neue Gebäude unsaniert oder saniert angeschlossen werden, was sowohl Bedarf als auch Einnahmen verändert. Und die Kosten jedes neuen Netzabschnitts hängen direkt von seiner Länge und Auslastung ab, was wiederum auf den Betrieb der drei Energieanlagen zurückwirkt. Primeo brauchte verlässliche Erkenntnisse über das Gewinnpotenzial und die wirtschaftlichen Risiken, bevor das Unternehmen sich auf den Ausbau festlegte.

Wie Sympheny eingesetzt wurde

Das Team von Primeo Energie und Sympheny bauten ein einziges, ganzheitliches Modell der Gemeinde Muttenz: fünf Knotenpunkte, fünf mögliche Segmente, drei Energieanlagen, der Anschluss an das bestehende Netz sowie eine aggregierte CO₂-Äquivalent-Randbedingung, um mindestens 80% erneuerbare Wärme sicherzustellen. Es wurden vier Szenariovarianten für 2027 und 2031 definiert, mit niedrigerer (A) und höherer (B) Anschlussquote sowie mit und ohne Gebäudesanierung als Teil der Optimierung. Das Modell arbeitete mit stündlicher zeitlicher Auflösung, um nachzuvollziehen, wann die freie Kapazität im bestehenden Netz die neue Last decken kann und wann zusätzliche Wärme zugekauft werden muss.

• Stündliches Knoten- und Segmentmodell: Erfasst die monatliche Schwankung der freien Kapazität im bestehenden Netz und das saisonale Ungleichgewicht mit dem neuen Winterbedarf.
• Sanierung als Entscheidungsvariable: Die Sanierung der Gebäudehülle wurde Teil der Optimierung statt eines festen Inputs, was sichtbar machte, wo sie trotz geringerer Wärmeverkäufe die Rentabilität verbessert.
• Randbedingung für den erneuerbaren Anteil: Über die stündliche Produktionsverfolgung wurde ein Mindestanteil von 80% erneuerbarer Wärme im gesamten Netz erzwungen, auch im winterlichen Spitzenbetrieb.

Der in Sympheny modellierte Standort Muttenz: fünf Gebäudeknotenpunkte, drei bestehende Energieanlagen und fünf mögliche Netzsegmente zum bestehenden Fernwärmenetz.

Ergebnis

Drei der vier modellierten Szenariovarianten ergaben rentable Ausbaupläne, wobei in den optimalen Lösungen alle fünf möglichen Netzsegmente gebaut und zwei davon bidirektional betrieben werden. Das Szenario 2031-B(R), mit höherer Anschlussquote und optimierter Sanierung, war das profitabelste: Die Simulation zeigte, dass die Gebäudesanierung den Wärmebedarf und damit die direkten Einnahmen zwar senkt, dass dies aber durch die Kosteneinsparungen beim Netzausbau mehr als ausgeglichen wird.

Auf der Versorgungsseite deckt die freie Kapazität der Wärmepumpe im bestehenden Fernwärmenetz die neue Grundlast den grössten Teil des Jahres; im Winter wird zusätzliche Wärme über ein bidirektional betriebenes Segment aus dem Holzabfallheizwerk zugekauft. Die beiden bestehenden Ölkessel werden als Kapazitätsreserven gehalten und laufen nur in den höchsten Bedarfsspitzen, gerade genug, um die 80%-Schwelle für erneuerbare Wärme zu übertreffen. Der Ersatz des Ölkessels am Knotenpunkt A durch einen Holzhackschnitzelkessel zahlt sich nicht aus; nur in der Variante mit dem höchsten Bedarf (keine Sanierung) ist ein zusätzlicher Holzkessel nötig, um Spitzen abzudecken, welche die bestehenden Ölkessel nicht erreichen. Primeo weiss nun, welche Segmente in welcher Reihenfolge gebaut werden sollten und welches Szenario sich rechnet, als Grundlage für den gestaffelten Ausbau in Muttenz.