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Energie & Management > Nahwärme - Warm dank kalter Nahwärme
Bild: Stadtwerke Haßfurt
Nahwärme

Warm dank kalter Nahwärme

Niedertemperaturwärmenetze sind eine Option für die Energiewende. Ein solches wurde vor sechs Jahren erstmals im bayerischen Dollnstein installiert.
Niedertemperaturwärmenetze arbeiten mit sehr geringen Verlusten und passen gut in eine Förderlandschaft, die das Dämmen von Häusern belohnt. Hier ergeben die hohen Vorlauftemperaturen der klassischen Fernwärmenetze keinen Sinn mehr. Ein erstes Niedertemperaturwärmenetz in Deutschland wurde vor sechs Jahren installiert. Inzwischen folgten weitere.

Die Technologie dieser Netze ist leicht erklärt. In einem abgeschlossenen Gebiet, das Quartieren oder in etwa dem entspricht, was unter Nahwärme bekannt ist, werden unterirdisch Wärmeleitungen verlegt. In diesen zirkuliert Wasser, das die Umgebungstemperatur − meist zwischen 9 und 11 °C − aufnimmt und mit Abwärme aus anderen Prozessen oder aus Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen gefüttert wird. Das Wasser wird bei den Abnehmern mittels Wärmepumpen zu Trinkwasserzwecken auf 60 °C aufgeheizt und, falls nötig, zu Heizzwecken auf 30 °C.

Die Vorteile liegen zum einen bei den geringeren Installationskosten, da die Leitungen nicht oder nur gering isoliert werden müssen, zum anderen in der sehr hohen Energieeffizienz, da Transportverluste wegfallen, die bei Vorlauftemperaturen der klassischen Fernwärmenetze von 90 bis 120 °C unweigerlich auftreten. Ihre Effizienz beweisen Niedertemperaturwärmenetze ganz augenscheinlich in der wärmeren Jahreszeit, wenn für Trinkwarmwasser kein 90 °C heißes Wasser durch die Rohre gepumpt werden muss. Die Wärmepumpe vor Ort reicht hier vollkommen aus. In Zeiten der Klimaerwärmung, wenn die Heizlast durch immer kürzere Kältephasen abnimmt, ist dies ein wichtiges Argument.
 
In der Dollnsteiner Heizzentrale sind BHKW und Spitzenlastkessel untergebracht
Bild: Frank Urbansky

Vor sechs Jahren ging im bayerischen Dollnstein ein solches Netz in Betrieb. Im Sommer läuft es mit Vorlauftemperaturen von 25 bis 30 °C, im Winter von 70 °C. Protagonist war der dort ansässige Heiztechnikspezialist Ratiotherm, der für ein gut 40 Häuser umfassendes Wohngebiet die kalte Wärmeversorgung plante und installierte. 27 der Häuser wurden angeschlossen, für zwölf weitere ist dies geplant. Als Wärmequellen dienen Solarthermie, Flüssiggas für Blockheizkraftwerk und Spitzenlastkessel sowie die Umweltwärme des Grundwassers.

Die gesamte installierte thermische Leistung liegt bei 979 kW, die elektrische durch das BHKW bei 130 kW. Eine Großwärmepumpe mit CO2 als Kältemittel liefert von der Wärme 440 kW, das BHKW 190 kW und die 100 Quadratmeter große Solarthermie 49 kW. Hinzu kommt noch der Gaskessel zur Abdeckung von Spitzen mit 300 kW.

Da jahreszeitliche Senken sowie Unterschiede in Produktion und Bedarf im Tagesverlauf ausgeglichen werden müssen, sind Speicher unumgänglich. Für das Warmwasser stehen dafür 27 Kubikmeter zur Verfügung, für Kaltwasser 15 Kubikmeter. Insgesamt wurden 1.829 Meter an Trassen verlegt.
Solche Niedertemperaturnetze können auch Abwärme aus Industrieprozessen, aus Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen oder aus der Solarthermie nutzen und deswegen auch in bereits bestehende Fernwärmestrukturen gut integriert werden. Es bedarf also keiner neuen Leitungen.

Leipziger Krankenhaus wird auf Niedertemperatur umgerüstet

Das Delta, also die Differenz zu Heizzwecken, das überwunden werden muss, liegt bei Flächenheizsystemen bei null, bei Konvektionsheizkörpern bei etwa 20 Kelvin. Es bedarf lediglich einer Anhebung der Temperatur des Trinkwarmwassers um 30 Kelvin. Auch diese Systeme sind effizient, weil sich hier die Leitungsverluste in Grenzen halten, wenngleich sie nicht gegen null gehen.

Derzeit wird das Klinikum St. Georg in Leipzig, mit 2.200 Betten das zweitgrößte Krankenhaus der Stadt und eines der größten in Sachsen, auf solch ein System umgerüstet. Dabei wird das alte Wärmenetz, das mit bis zu 105 °C Vorlauftemperatur lief, weiter genutzt. Nur die Energiequellen sind andere und lösen ein großes Heizwerk ab.

„Im Dezember 2019 haben wir nach drei Jahren Planung und Beantragung begonnen. Ende 2022 wollen wir fertig sein“, sagt Daniel Landgraf, Geschäftsführer des auf Energietechnik spezialisierten Planungsbüros e7, das den energetischen Umbau im Klinikum St. Georg steuert. Dabei gleiche die Arbeit an dem bestehenden Wärmenetz einer Operation am offenen Herzen. Dennoch gelte es, den Willen des Auftraggebers nach einer deutlichen CO2-Reduktion zu erfüllen. „Das hängt auch damit zusammen, was die meisten Fördereffekte hatte, um die Investitionskosten gering zu halten“, so Landgraf. Die BHKW, beide erst sechs Jahre alt, bleiben auch deshalb weiterhin eine der Säulen der Wärmeproduktion. Das nun geplante Nahwärmenetz treffe auf einen denkmalgeschützten Gebäudebestand aus der Gründerzeit, wie er in vielen deutschen Städten vorkomme.

80 % des Jahres nur moderate Leistungen gefragt

Die große Neuerung liege nun in der Abwärmenutzung in den verschiedenen Gebäuden, deren Temperaturniveau deutlich unter den sonst üblichen 105 °C im Netz liegt. Möglich wird dies für den größten Teil durch die Jahresdauerlinie der Heizungsanlage. 80 % des Jahres sind moderate Leistungen gefragt. Das Problem sei gewesen, dieses niedrige Temperaturniveau der Abwärme in die Gebäude zu bringen.

Die Lösung liegt in Wärmepumpen, die 20 % der Heizleistung generell abdecken und auch für die Anhebung des benötigten Temperaturniveaus zuständig sind, wenn die Blockheizkraftwerke nicht arbeiten. Somit kann zu 60 % der Jahresheizbedarf des gesamten Klinikums mit seinen gut 40 Gebäuden abgedeckt werden. Dafür nötig sind 62 Wärmepumpen, die direkt in den Gebäuden installiert werden und in die allein 2,5 Mio. Euro investiert wurden. „Ein häufiger Knackpunkt ist die Übernahme vom Wärmenetz ins Gebäude. Hier bedarf es neuer Regelarmaturen und eines hydraulischen Abgleichs im Nahwärmenetz“, sagt Landgraf. Vor allem die bisherigen Ventile, die darauf ausgelegt waren, alle Gebäude gleich mit Wärme zu versorgen, müssten ersetzt werden. Nun kommen hier elektronische Regelventile zum Einsatz, die den Durchfluss automatisiert messen und dynamisch steuern. Das helfe deutlich bei der Steuerung der Anlage, so Landgraf.

Da die Versorgung ständig sichergestellt sein muss und die Wärmepumpen sowie die BHKW nicht nur nach Bedarf, sondern auch kontinuierlich arbeiten sollen, braucht es Speicher. Ursprünglich wollte man den alten Kohlebunker mit einem 100 Kubikmeter fassenden Warmwasserspeicher ausstatten. Doch das ging aus statischen Gründen nicht. Darum wird der zentrale Wärmespeicher als Stahltank neben dem Heizhaus errichtet. In den historischen Gebäuden aus wilhelminischer Zeit sind diese auf vier Kubikmeter ausgelegt, im neuen Haus 20, das Notfallzentrum, Diagnostik und Kinderstation beherbergt, sind es zwölf Kubikmeter.

Aufgrund der Größe wurden sie vor Ort im Keller geschweißt. Für Strom gibt es zudem einen 800 kWh fassenden Speicher für Spitzenglättungen. „Die Speicher sind Hauptteile einer Anlage und entscheiden über die Effizienz“, resümiert Landgraf.

So viel Technik will geregelt sein. Von e7 wird deswegen eine zentrale technische Intelligenz installiert, die die Anlagen weitgehend automatisiert steuert. Die Daten der Gebäude werden ebenfalls an die Zentrale übermittelt und der Wärmebedarf wird je nach Wetterlage entsprechend digital eingeschätzt, produziert und geliefert. Dabei ist auch ein prognostisches Heizverhalten möglich, da die alten Gebäude bis zu acht Stunden brauchen, um sich aufzuwärmen. Landgraf schätzt die Amortisation der Gesamtinvestition durch Förderung und eingesparte Energiemengen auf vier Jahre.
Das Wärmenetz in St. Georg könnte noch eine weitere Energiequelle nutzen − Aquifere, also unterirdische Grundwasserströmungen, von denen es in der Leipziger Tieflandsbucht reichlich gibt. Derzeit prüft e7 dazu die Grundlagen. Bei Eignung würde man das Projekt dann gern um diese Wärmequelle erweitern.

Der Aufwand wäre übersichtlich, da sich die Aquifere am Standort in Leipzigs Nordwesten schon in 16 Metern Tiefe finden. Allein damit könnte man das Temperaturniveau im ganzen Netz um 10 Kelvin anheben. Man hätte hier zudem einen Wärmespeicher im Gigawattbereich, so Landgraf. Denn hohe Rücklauftemperaturen im Netz könnten im langsam fließenden Aquifer zwischengespeichert und später wieder genutzt werden.

Freitag, 23.04.2021, 08:46 Uhr
Frank Urbansky
Energie & Management > Nahwärme - Warm dank kalter Nahwärme
Bild: Stadtwerke Haßfurt
Nahwärme
Warm dank kalter Nahwärme
Niedertemperaturwärmenetze sind eine Option für die Energiewende. Ein solches wurde vor sechs Jahren erstmals im bayerischen Dollnstein installiert.
Niedertemperaturwärmenetze arbeiten mit sehr geringen Verlusten und passen gut in eine Förderlandschaft, die das Dämmen von Häusern belohnt. Hier ergeben die hohen Vorlauftemperaturen der klassischen Fernwärmenetze keinen Sinn mehr. Ein erstes Niedertemperaturwärmenetz in Deutschland wurde vor sechs Jahren installiert. Inzwischen folgten weitere.

Die Technologie dieser Netze ist leicht erklärt. In einem abgeschlossenen Gebiet, das Quartieren oder in etwa dem entspricht, was unter Nahwärme bekannt ist, werden unterirdisch Wärmeleitungen verlegt. In diesen zirkuliert Wasser, das die Umgebungstemperatur − meist zwischen 9 und 11 °C − aufnimmt und mit Abwärme aus anderen Prozessen oder aus Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen gefüttert wird. Das Wasser wird bei den Abnehmern mittels Wärmepumpen zu Trinkwasserzwecken auf 60 °C aufgeheizt und, falls nötig, zu Heizzwecken auf 30 °C.

Die Vorteile liegen zum einen bei den geringeren Installationskosten, da die Leitungen nicht oder nur gering isoliert werden müssen, zum anderen in der sehr hohen Energieeffizienz, da Transportverluste wegfallen, die bei Vorlauftemperaturen der klassischen Fernwärmenetze von 90 bis 120 °C unweigerlich auftreten. Ihre Effizienz beweisen Niedertemperaturwärmenetze ganz augenscheinlich in der wärmeren Jahreszeit, wenn für Trinkwarmwasser kein 90 °C heißes Wasser durch die Rohre gepumpt werden muss. Die Wärmepumpe vor Ort reicht hier vollkommen aus. In Zeiten der Klimaerwärmung, wenn die Heizlast durch immer kürzere Kältephasen abnimmt, ist dies ein wichtiges Argument.
 
In der Dollnsteiner Heizzentrale sind BHKW und Spitzenlastkessel untergebracht
Bild: Frank Urbansky

Vor sechs Jahren ging im bayerischen Dollnstein ein solches Netz in Betrieb. Im Sommer läuft es mit Vorlauftemperaturen von 25 bis 30 °C, im Winter von 70 °C. Protagonist war der dort ansässige Heiztechnikspezialist Ratiotherm, der für ein gut 40 Häuser umfassendes Wohngebiet die kalte Wärmeversorgung plante und installierte. 27 der Häuser wurden angeschlossen, für zwölf weitere ist dies geplant. Als Wärmequellen dienen Solarthermie, Flüssiggas für Blockheizkraftwerk und Spitzenlastkessel sowie die Umweltwärme des Grundwassers.

Die gesamte installierte thermische Leistung liegt bei 979 kW, die elektrische durch das BHKW bei 130 kW. Eine Großwärmepumpe mit CO2 als Kältemittel liefert von der Wärme 440 kW, das BHKW 190 kW und die 100 Quadratmeter große Solarthermie 49 kW. Hinzu kommt noch der Gaskessel zur Abdeckung von Spitzen mit 300 kW.

Da jahreszeitliche Senken sowie Unterschiede in Produktion und Bedarf im Tagesverlauf ausgeglichen werden müssen, sind Speicher unumgänglich. Für das Warmwasser stehen dafür 27 Kubikmeter zur Verfügung, für Kaltwasser 15 Kubikmeter. Insgesamt wurden 1.829 Meter an Trassen verlegt.
Solche Niedertemperaturnetze können auch Abwärme aus Industrieprozessen, aus Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen oder aus der Solarthermie nutzen und deswegen auch in bereits bestehende Fernwärmestrukturen gut integriert werden. Es bedarf also keiner neuen Leitungen.

Leipziger Krankenhaus wird auf Niedertemperatur umgerüstet

Das Delta, also die Differenz zu Heizzwecken, das überwunden werden muss, liegt bei Flächenheizsystemen bei null, bei Konvektionsheizkörpern bei etwa 20 Kelvin. Es bedarf lediglich einer Anhebung der Temperatur des Trinkwarmwassers um 30 Kelvin. Auch diese Systeme sind effizient, weil sich hier die Leitungsverluste in Grenzen halten, wenngleich sie nicht gegen null gehen.

Derzeit wird das Klinikum St. Georg in Leipzig, mit 2.200 Betten das zweitgrößte Krankenhaus der Stadt und eines der größten in Sachsen, auf solch ein System umgerüstet. Dabei wird das alte Wärmenetz, das mit bis zu 105 °C Vorlauftemperatur lief, weiter genutzt. Nur die Energiequellen sind andere und lösen ein großes Heizwerk ab.

„Im Dezember 2019 haben wir nach drei Jahren Planung und Beantragung begonnen. Ende 2022 wollen wir fertig sein“, sagt Daniel Landgraf, Geschäftsführer des auf Energietechnik spezialisierten Planungsbüros e7, das den energetischen Umbau im Klinikum St. Georg steuert. Dabei gleiche die Arbeit an dem bestehenden Wärmenetz einer Operation am offenen Herzen. Dennoch gelte es, den Willen des Auftraggebers nach einer deutlichen CO2-Reduktion zu erfüllen. „Das hängt auch damit zusammen, was die meisten Fördereffekte hatte, um die Investitionskosten gering zu halten“, so Landgraf. Die BHKW, beide erst sechs Jahre alt, bleiben auch deshalb weiterhin eine der Säulen der Wärmeproduktion. Das nun geplante Nahwärmenetz treffe auf einen denkmalgeschützten Gebäudebestand aus der Gründerzeit, wie er in vielen deutschen Städten vorkomme.

80 % des Jahres nur moderate Leistungen gefragt

Die große Neuerung liege nun in der Abwärmenutzung in den verschiedenen Gebäuden, deren Temperaturniveau deutlich unter den sonst üblichen 105 °C im Netz liegt. Möglich wird dies für den größten Teil durch die Jahresdauerlinie der Heizungsanlage. 80 % des Jahres sind moderate Leistungen gefragt. Das Problem sei gewesen, dieses niedrige Temperaturniveau der Abwärme in die Gebäude zu bringen.

Die Lösung liegt in Wärmepumpen, die 20 % der Heizleistung generell abdecken und auch für die Anhebung des benötigten Temperaturniveaus zuständig sind, wenn die Blockheizkraftwerke nicht arbeiten. Somit kann zu 60 % der Jahresheizbedarf des gesamten Klinikums mit seinen gut 40 Gebäuden abgedeckt werden. Dafür nötig sind 62 Wärmepumpen, die direkt in den Gebäuden installiert werden und in die allein 2,5 Mio. Euro investiert wurden. „Ein häufiger Knackpunkt ist die Übernahme vom Wärmenetz ins Gebäude. Hier bedarf es neuer Regelarmaturen und eines hydraulischen Abgleichs im Nahwärmenetz“, sagt Landgraf. Vor allem die bisherigen Ventile, die darauf ausgelegt waren, alle Gebäude gleich mit Wärme zu versorgen, müssten ersetzt werden. Nun kommen hier elektronische Regelventile zum Einsatz, die den Durchfluss automatisiert messen und dynamisch steuern. Das helfe deutlich bei der Steuerung der Anlage, so Landgraf.

Da die Versorgung ständig sichergestellt sein muss und die Wärmepumpen sowie die BHKW nicht nur nach Bedarf, sondern auch kontinuierlich arbeiten sollen, braucht es Speicher. Ursprünglich wollte man den alten Kohlebunker mit einem 100 Kubikmeter fassenden Warmwasserspeicher ausstatten. Doch das ging aus statischen Gründen nicht. Darum wird der zentrale Wärmespeicher als Stahltank neben dem Heizhaus errichtet. In den historischen Gebäuden aus wilhelminischer Zeit sind diese auf vier Kubikmeter ausgelegt, im neuen Haus 20, das Notfallzentrum, Diagnostik und Kinderstation beherbergt, sind es zwölf Kubikmeter.

Aufgrund der Größe wurden sie vor Ort im Keller geschweißt. Für Strom gibt es zudem einen 800 kWh fassenden Speicher für Spitzenglättungen. „Die Speicher sind Hauptteile einer Anlage und entscheiden über die Effizienz“, resümiert Landgraf.

So viel Technik will geregelt sein. Von e7 wird deswegen eine zentrale technische Intelligenz installiert, die die Anlagen weitgehend automatisiert steuert. Die Daten der Gebäude werden ebenfalls an die Zentrale übermittelt und der Wärmebedarf wird je nach Wetterlage entsprechend digital eingeschätzt, produziert und geliefert. Dabei ist auch ein prognostisches Heizverhalten möglich, da die alten Gebäude bis zu acht Stunden brauchen, um sich aufzuwärmen. Landgraf schätzt die Amortisation der Gesamtinvestition durch Förderung und eingesparte Energiemengen auf vier Jahre.
Das Wärmenetz in St. Georg könnte noch eine weitere Energiequelle nutzen − Aquifere, also unterirdische Grundwasserströmungen, von denen es in der Leipziger Tieflandsbucht reichlich gibt. Derzeit prüft e7 dazu die Grundlagen. Bei Eignung würde man das Projekt dann gern um diese Wärmequelle erweitern.

Der Aufwand wäre übersichtlich, da sich die Aquifere am Standort in Leipzigs Nordwesten schon in 16 Metern Tiefe finden. Allein damit könnte man das Temperaturniveau im ganzen Netz um 10 Kelvin anheben. Man hätte hier zudem einen Wärmespeicher im Gigawattbereich, so Landgraf. Denn hohe Rücklauftemperaturen im Netz könnten im langsam fließenden Aquifer zwischengespeichert und später wieder genutzt werden.

Freitag, 23.04.2021, 08:46 Uhr
Frank Urbansky

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