YADOS Wärmenetztechnik | Heizungsjournal Sonderdruck 2017/2018 by YADOS GmbH

Sonderdruck 2017/2018

T R E N D S

P R O D U K T E

S YS T E M E

D E S I G N

Heizen mit konventionellen und alternativen Energieträgern

Seite 2- 4

Hoher Energiebedarf sichert Wirtschaftlichkeit KWK-Lösung für Wohnund Betreuungseinrichtungen

Seite 5- 9 Karl Gentner:

Trinkwassererwärmung als patentierte Versorgungstechnologie

Seite 10 -12

Treiber der Wärmewende Ausgestaltung intelligenter Wärmenetze 4.0

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Hoher Energiebedarf sichert Wirtschaftlichkeit KWK-Lösung für Wohn- und Betreuungseinrichtungen Nach Sanierung und Ausbau ihres energetischen Versorgungssystems erzeugt eine Seniorenanlage am Rande von Augsburg ihren Strom- und Wärmebedarf weitestgehend selbst. Das kürzlich abgeschlossene Projekt gibt Einblick in die Planung und Umsetzung eines dezentralen Effizienzkonzeptes und zeigt, wie sich Energieproduktion und -nutzung mit einer KWK-Lösung ökonomisch und ökologisch sinnvoll koordinieren lassen.

Blockheizkraftwerke (BHKW), die auf Basis von Kraft-Wärme-Kopplung arbeiten, spielen eine entscheidende Rolle für das Gelingen der Energie- und Wärmewende in Deutschland. Hochentwickelte Anlagen, die gleichzeitig elektrische Energie und Wärme generieren, nutzen eingesetzte Primärenergie deutlich effizienter als solche mit getrennter Produktion. Bis zum Jahre 2020 soll die Stromerzeugung aus KWK-Anlagen deshalb auf 110 Terawattstunden pro Jahr (TWh/a) und bis zum Jahr 2025 auf 120 TWh/a erhöht werden. Zum Vergleich: 2016 wurden in Deutschland insgesamt rund 648 Milliarden Kilowattstunden (648 TWh) Strom erzeugt.

Lohnend ist die Investition in die KWKTechnologie vor allem dort, wo regelmäßig viel Strom und Wärme verbraucht wird. In Alten- und Pflegeheimen oder in betreuten Wohnanlagen ist die energetische Grundlast für gewöhnlich überdurchschnittlich hoch: Ältere Menschen weisen häufig einen erhöhten Wärmebedarf auf, Bäder und Badeeinrichtungen benötigen warmes Wasser in umfangreichen Mengen und der Verpflegungsbetrieb ist energieintensiv. Signifikante Stromaufwände entfallen darüber hinaus auf die Technische Gebäudeausrüstung (TGA) – etwa zur Belüftung, Beleuchtung oder zum Transport in und am Gebäude.

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Rahmenbedingungen und Herausforderungen Die seit 1995 von einer privaten, gemeinnützigen Stiftung betriebene Seniorenanlage bietet 121 Personen in unterschiedlichen Wohneinheiten des Altenpflegeheims oder in Apartmenthäusern eine Unterkunft. Zum Seniorenwohnheim gehören mehrere Gemeinschafts- und Speiseräume, ein Schwimmbad und Therapieräume sowie ein Restaurant- und Cafeteria-Betrieb. Die Notwendigkeit, das bisherige Versorgungssystem zu erneuern, resultierte aus der nahezu bis zur Kapazitätsgrenze

ausgelasteten, energietechnischen Infrastruktur der Einrichtung. Die Wärmeerzeugung erfolgte bislang über eine Gaskessel-Kaskadenanlage mit einer Nennleistung von insgesamt 900 kW. Aufgrund des kontinuierlich gestiegenen Wärmebedarfs im Pflegebetrieb des Seniorenheims wurde die Anlage dauerhaft unter Volllast betrieben. Auch die Leistungsgrenze der Trinkwassererwärmungsanlage (TWE-Anlage) war erreicht. Weder die erhöhten Abnahmebedingungen konnten zukünftig erfüllt werden, noch waren die hygienetechnisch definierten Betriebstemperaturen für die zwei 1.500-Liter-Trinkwarmwasserspeicher mit vertretbarem Energieaufwand zu bewerkstelligen.

1 Die besonderen topografischen und infrastrukturellen Gegebenheiten erforderten eine passgenaue Aufstellung des Anlagencontainers am Standort. Innerhalb eines einzigen Tages erfolgte die Implementierung durch Bezler Sanitär und Yados gemeinsam mit den beauftragten Gewerken. Die Wärmezentrale wurde per Schwertransporter angeliefert – der Container verfügt über ein Gesamtgewicht von rund 47 Tonnen.

2 Schematische Darstellung der neu implementierten Energiezentrale der Seniorenanlage (Fließschema).

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Kraft-Wärme-Kopplung

Vor diesem Hintergrund erhielt das in Augsburg ansässige HLK-Unternehmen Bezler Sanitär GmbH den Auftrag, eine Lösung zu entwickeln, die eine deutliche Verringerung des Primärenergieeinsatzes und damit zugleich eine entsprechende Senkung der Betriebskosten ermöglichen würde. Die darauf aufbauende technische Anlagenplanung und -ausführung übernahm der in Hoyerswerda beheimatete Energieanlagenspezialist Yados, der durch zahlreiche KWK-Großprojekte im In- und Ausland über die benötigte fachliche Expertise und Erfahrungskompetenz verfügt.

Erzeuger und Verbraucher werden eins Das gemeinsame Konzeptziel beider Unternehmen sah ein kombiniertes Energieerzeugungssystem vor, mit dem die Stiftung sowohl Strom als auch Wärme selbst dezentral generieren und im Gebäudebetrieb nutzen kann – und das bei gleichzeitiger Entlastung der Gaskessel-Anlage und verbesserter Gesamtheizleistung. Ermöglicht wurde dies über eine bedarfskonform dimensionierte KWK-Anlage, welche die Effizienzpotentiale des Kopplungsprinzips von Strom- und Wärmeerzeugung optimal ausschöpft. Der Umstand, dass die Senioreneinrichtung in Stadtbergen über keine detaillierten Wärmeverbrauchswerte aus den Vorjahren verfügte, stellte dabei eine besondere Herausforderung für die planenden Ingenieure dar. Realisiert wurde schließlich ein von Yados entwickeltes, auf 8.000 Betriebsstunden ausgelegtes, wärmegeführtes BHKW, mit einer thermischen Leistung von 80 kW und einer elektrischen Leistung von 50 kW. Die im KWK-Prozess gewonnene Wärme sowie rund 400.000 kWh Strom werden größtenteils direkt am Standort verbraucht. Zur Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit bei Spitzenlastzeiten oder einem Ausfall der Anlage wurde zusätzlich ein Gas-Brennwertkessel mit einer Heizleistung von 260 kW integriert. Der große Modulationsbereich der Kessel-

anlage ermöglicht es, die Leistungsabgabe automatisch dem jeweiligen Wärmebedarf – der aufgrund jahreszeitlicher Einflüsse und unterschiedlicher Warmwasser-Anforderungen variiert – exakt anzupassen. Die stufenlose Verbrennungsregelung reduziert dabei die Anzahl der Brennerstarts, was zu einer deutlichen Energieeinsparung führt. Der ermittelte Normnutzungsgrad des Gas-Brennwertkessels liegt bei knapp über 109 Prozent. Das vorhandene Trinkwassererwärmungssystem wurde durch eine leistungsstärkere Anlage mit zwei 1.000Liter-Pufferspeichern ersetzt. Die Anlage entspricht den sicherheits- und hygienetechnischen Vorgaben relevanter Regelwerke (gem. Trinkwasserverordnung, TrinkwV 2001, und dem DVgWArbeitsblatt W 551 für Planung, Errichtung, Betrieb und Sanierung von Trinkwasser-Installationen). Sie basiert auf einem zweistufigen Speicherladesystem, das die Nutzung hoher primärer Vorlauftemperaturen erlaubt. Der Heizwasservolumenstrom wird dadurch deutlich verringert und heizwasserseitig lassen sich sehr niedrige Rücklauftemperaturen erzielen. Der reduzierte Volumenstrom wirkt sich positiv auf die Energieaufwandsbilanz der Anlage aus: Der Brennwerteffekt ist optimal nutzbar, der Strombedarf für den Pumpeneinsatz sinkt und Wärmeverluste in der Installation werden minimiert. Aufgrund ihrer bedarfsspezifischen Auslegung handelt es sich bei KWK-Anlagen stets um individuelle Kundenlösungen. Auch die Bauweise und die Art ihrer Integration in die energetische Infrastruktur vor Ort sind variabel anpassbar. Da sich der Aufstellungsort in unmittelbarer Nähe der Pflegebereiche, des Restaurants sowie von Feuerwehrzufahrt und Fluchtwegen befindet, waren für den Ausbau des Containers (insbesondere für Materialwahl und Komponentenausführung) deutlich erhöhte Brand- und Schallschutzvorschriften einzuhalten. In Stadtbergen wählte man deshalb eine flexible Container-Ausführung, bei der die

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Aggregate als Komplettsystem in einer speziell verstärkten Betonraumzelle verbaut wurden. Der Container (Abmessungen L x B x H: 9 x 5 x 4,5 m, Masse: 47 t), ausgestattet mit BHKW-Aggregat, neuer Kesselanlage, Pufferspeicher und Übergabestation, wurde komplett steckerfertig von Yados in Hoyerswerda vorkonfektioniert.

Basis einer neuen Wärmenetzgeneration Weitere Effizienzpotentiale lassen sich erschließen, wenn technisch hochentwickelte Energieaggregate im Verbundsystem überwacht und möglichst präzise geregelt und gesteuert werden können. Übergeordnete Regelungseinheiten, wie beispielsweise die zentrale Leittechnik „Yado|Link“, vernetzen durchgängig alle Anlagenkomponenten und Funktionen. Die auf Basis von Bussystemen umgesetzte Systemtechnik realisiert dabei vielfältige Aufgaben: Verarbeitungsprozesse zwischen unterschiedlichen Energiequel-

len und Wärmeverbrauchern werden in Echtzeit erfasst, analysiert, visualisiert und bedarfsgerecht modifiziert. Die intelligente Steuerung sorgt damit für einen wirtschaftlichen, sicheren und energieeffizienten Anlagenbetrieb, von dem Betreiber, Verbraucher und nicht zuletzt die Umwelt profitieren. Mit dem aktuellen Förderprogramm „Modellvorhaben Wärmenetze 4.0“, welches seit Juli 2017 erstmals eine systemische Förderung im Bereich der Wärmeinfrastruktur vorsieht, rücken intelligente Leit- und Kommunikationssysteme verstärkt in den Fokus von Planern und Betreibern. Sie gelten als Förderungsvoraussetzung für Einzeltechnologien und -komponenten sowie zukünftig auch für Gesamtsysteme. ❚

3 Blick in den Systemcontainer: Die Betonraumzelle beherbergt die komplette Anlagentechnik für die dezentrale Energieerzeugung. Hier zu sehen: Das kompakte Blockheizkraftwerk mit einer thermischen Leistung von 80 kW und einer elektrischen Leistung von 50 kW. (Fotos: Yados)

[Martin Gentner, Yados GmbH, Hoyerswerda]

Weitere Informationen unter: www.yados.de

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Karl Gentner

Trinkwassererwärmung als patentierte Versorgungstechnologie Die Bereitstellung von Trinkwarmwasser ist an restriktive Vorgaben der Trinkwasserhygiene gebunden. Mit wirtschaftlicher und ökologischer Intelligenz punkten Versorgungssysteme, die neben der Einhaltung von Hygienekonformität zugleich eine hohe Betriebseffizienz gewährleisten können. Ein patentiertes Trinkwassererwärmungssystem des Anlagenentwicklers Yados zeigt, wie sich durch Senkung der primärseitigen Rücklauftemperaturen beide Anforderungen erfüllen lassen.

Krefeld (NRW) im vergangenen Herbst: Ein Quartier mit rund 900 Wohneinheiten geht ans Fernwärmenetz. Nach rund 60-jähriger Betriebszeit musste für die energetische Infrastruktur des Stadtteils Elfrath ein Neukonzept der Wärmeversorgung realisiert werden und eine umfassende Modernisierung von Leitungssystem und Anlagentechnik erfolgen. Insgesamt 24 Mehrfamilienhäuser der in den 1960er-Jahren entstandenen Siedlung sollten dabei mit zukunftsfähigen Trinkwassererwärmungssystemen (TWESystemen) ausgestattet werden.

Karl Gentner YADOS GmbH Yados-Straße 1 D-02977 Hoyerswerda Fon (0 35 71) 2 09 32-0 karl.gentner@yados.de www.yados.de

Zwei zentrale Leistungskriterien standen bei der Wahl einer geeigneten Anschlusstechnologie im Fokus von Versorger und Anlagenbetreiber: ein hoher Systemwirkungsgrad zur Unterstützung eines maximal effizienten Anlagenbetriebs sowie die technische Umsetzbarkeit hygiene-

rechtlicher Vorgaben, wie sie unter anderem die deutsche Trinkwasserverordnung (TrinkwV 2001), das Arbeitsblatt DVGW W 551 und die Richtlinie VDI 6023 vorsehen. Die optimale technologische Lösung für Elfrath erkannten Planer in einem hoch entwickelten Niedertemperatursystem des Energieanlagenspezialisten Yados aus Hoyerswerda (Abb. 1). Seinem Anlagenkonzept zur Bereitstellung von Trinkwarmwasser liegt ein vielfach geprüftes, patentiertes Verfahren zugrunde, das eine optimale Nutzung der eingesetzten Primärenergien bei gleichzeitig konsequenter Einhaltung hygienetechnischer Regelwerksvorgaben ermöglicht (Anlagentyp „YADO|AQUA PR“; Abb. 3). Der Prozess der primären Rücklauftemperaturauskühlung nimmt dabei eine Schlüsselfunktion ein.

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Präzisionstechnologie für den regelwerkskonformen Anlagenbetrieb

TWE-Technologie sichert Temperaturen und Fließverhalten

Das 2014 vom deutschen Patentamt (Patent-Nr. 10 2010 044 535) zugelassene Verfahren sowie das dazugehörige Anlagenkonzept sind das Ergebnis weitreichender Entwicklungs- und Prüfabläufe, die unter anderem in Zusammenarbeit mit den Stadtwerken München (SWM) im Rahmen des Forschungsprojekts „Low-Ex-Systeme“ untersucht und getestet wurden. Als Konzeptionsgrundlage für ein rücklaufoptimiertes Trinkwassererwärmungssystem wurden die Bestimmungen der Trinkwasserverordnung und die des Arbeitsblattes DVGW W 551 („Trinkwassererwärmungsund Trinkwasserleitungsanlagen; Technische Maßnahmen zur Verminderung des Legionellenwachstums; Planung, Errichtung, Betrieb und Sanierung von Trinkwasser-Installationen“) herangezogen und anlagentechnisch im Detail umgesetzt. Neben der Bereitstellung einer hygienisch einwandfreien Trinkwasserqualität, einschließlich der systematischen Minimierung des Legionellenrisikos, wurde als zweites zentrales Leistungsmerkmal die Erzeugung niedriger Rücklauftemperaturen definiert. Und das sowohl beim Fernwärmeanschluss als auch beim Einsatz von Brennwerttechnik und Blockheizkraftwerken.

Das DVGW-Arbeitsblatt W 551 spezifiziert die Anlagenfahrweise eines TWESystems bei Großanlagen. Die Bestimmungen betreffen dabei im Wesentlichen das Zirkulationsverhalten und einzuhaltende Temperaturniveaus innerhalb der Anlage.

Darüber hinaus sollte durch Verminderung der Verkalkungsneigung insbesondere auch einem frühzeitigen Komponentenausfall (etwa von Pumpen- oder Wärmeübertragern) vorgebeugt werden.

Diese in den Regelwerken verbindlich festgelegten Richtwerte orientieren sich primär am aktuellen Wissensstand der Kontaminationsforschung und der Installationspraxis, die sich mit den Ursachen

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1 Das Firmengelände der Yados GmbH in Hoyerswerda (2016).

Demnach ist eine systematische Unterschreitung der Trinkwarmwassertemperatur am Trinkwassererwärmeraustritt von 60 Grad Celsius sowie von minimal 55 Grad Celsius in der Zirkulationsleitung nicht zulässig. Gleichzeitig muss mindestens einmal in 24 Stunden eine Erwärmung des vollständigen Wasserinhalts des Speichers und der Vorwärmstufe auf 60 Grad Celsius sichergestellt werden (tägliche Durchladung wegen Vorwärmstufe). Um die vorgeschriebene Trinkwasserhygiene stabil zu gewährleisten, ist neben thermischen Faktoren auch das Fließverhalten des Trinkwassers in der Installation zu berücksichtigen. Eine wichtige Rolle spielt hier die angemessene, fachgerechte Dimensionierung von Zirkulationsleitungen und Zirkulationspumpen sowie ein kontinuierlicher Zirkulationsfluss, der nicht länger als maximal acht Stunden pro Tag unterbrochen werden darf.

und Auswirkungen mikrobieller Verunreinigungen in wasserführenden Systemen beschäftigt. Mit dem Ziel, einen höchstmöglichen Schutz des Verbrauchers vor gesundheitsgefährdenden Organismen wie dem Legionellen-Bakterium (Legionella pneumophila) zu gewährleisten, werden dabei vor allem replikationsfördernde Einflussgrößen fokussiert. Auf Grundlage der 1. novellierten Trinkwasserverordnung traten 2011 unter anderem für Betreiber von Großanlagen verschärfte Prüf- und Handlungspflichten in Kraft. Für die Ausbildung von Legionellen-Kolonien innerhalb eines Installationssystems sind zwei Faktoren besonders relevant: hohe Stagnationszeiten des Trinkwassers von über acht Stunden und kritische Temperaturbereiche zwischen 25 und 55 Grad Celsius. Entsprechend lassen sich hochentwickelte und präzise regelbare TWE-Systeme als wirksames Instrument in der Legionellenprävention gemäß der allgemein anerkannten Regeln der Technik (a.a.R.d.T.) nutzbar machen. Wie auf Grundlage gesenkter Primär-Rücklauftemperaturen gleichzeitig hohe energetische und wirtschaftliche Effizienzpotenziale erschlossen werden können, zeigt das Funktionsprinzip der „YADO|AQUA PR“-Anlage (Abb. 4).

Verbesserte Energiebilanz durch gesenkte Rücklauftemperaturen

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Trinkwassererwärmungssystem „YADO|AQUA PR“.

3 Systeminstallation in einem Münchener Mehrfamilienhaus mit Fernwärmeübergabestation, Trinkwassererwärmungssystem und Pufferspeicher.

4 Funktionsschema des Trinkwassererwärmungssystems „YADO|AQUA 1IL-PR“ mit zweistufiger Speicherladung.

5 24-Stunden-Messprotokoll aus einem Münchener Neubau während der Heizperiode: Die ermittelten durchschnittlichen Fernwärme-Rücklauftemperaturen liegen bei knapp über 30 Grad Celsius.

6 Messergebnisse nach Sanierung der Warmwasserbereitung ohne Heizungsoptimierung: In einem Altbau wurde lediglich ein Registerspeicher durch das Trinkwassererwärmungssystem „YADO|AQUA PR“ ersetzt. Die Auswertung zeigt, dass der benötigte Volumenstrom des Fernheizwassers deutlich reduziert und die Rücklauftemperaturen gesenkt werden konnten. (Fotos/Grafiken: Yados GmbH) 8

Die TWE-Anlage basiert auf einem zweistufigen Speicherladesystem, bei dem durch Nutzung hoher primärer Vorlauftemperaturen der Heizwasservolumenstrom deutlich verringert werden kann und sich heizwasserseitig sehr niedrige Rücklauftemperaturen erzielen lassen. Dies geschieht durch eine spezielle Schaltung eines Vor- und Nachwärmers: Der Zirkulationsvolumenstrom wird dabei permanent und unterbrechungsfrei erwärmt, sodass eine optimale Schichtung im Trinkwarmwasser-Pufferspeicher unter Einhaltung der hygienerechtlich geforderten Trinkwarmwassertemperatur von 60 Grad Celsius erzielt werden kann. Die Reduktion des Volumenstroms wiederum wirkt sich positiv auf die Energieaufwandsbilanz der Anlage aus; so lassen sich der Strombedarf für den Pumpeneinsatz senken und Wärmeverluste in der Installation minimieren. Im Prozess der Speicherladung wird zunächst die Trinkwarmwassertemperatur des Zirkulationsvolumenstroms im Nachwärmer auf 60 Grad Celsius angehoben. Gleichzeitig kühlt Wasser aus dem Trinkwarmwasserspeicher den Heizwasservolumenstrom im Vorwärmer gezielt ab. Sobald dem Speicher im oberen Teil Trinkwarmwasser über die Zapfstellen entnommen wird, strömt kaltes Trinkwasser in den unteren Teil des Pufferspeichers nach. Dieser Vorgang führt zu einer natürlichen stabilen Temperaturschichtung im Speicher, ohne dass eine zu große Mischzone durch Konvektion entsteht (Schichtladespeicherung). Wird aus dem Pufferspeicher kein Trinkwarmwasser gezapft, etwa in der Nacht, läuft kein kaltes Trinkwasser mehr in den unteren Speicherbereich nach. Das Trinkwarmwasser verdrängt den Restbestand des Kaltwassers, bis der Trinkwarmwasserspeicher auf 60 Grad

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durchgeladen ist. Erst ab diesem Zeitpunkt steigt die Primärrücklauftemperatur wieder an.

Effizienzpotenziale bei Planung, Betrieb und Werterhaltung

Regelung Heizwasservorlauf

Trinkwarmwasser Dreiwegeventil

Aus ökonomischer Perspektive lassen sich durch Einsatz eines rücklaufoptimierten TWE-Systems bereits im Planungsprozess, aber auch in der nachgelagerten Instandhaltung Einspareffekte realisieren, unter anderem • bei der Dimensionierung des Leitungsnetzes durch verringerte Leitungsquerschnitte,

Heizwasserladepumpe

Wärmeübertrager (Nachwärmer)

Trinkwarmwasserzirkulation

Speicher

Trinkwarmwasser Zirkulationspumpe Wärmeübertrager (Vorwärmer)

Heizwasserrücklauf Wärmezähler

Durchgangsventil

Speicherladekreispumpe

Trinkwasser

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• bei der Dimensionierung der Anlagentechnologie durch Wahl kleinerer Pumpen mit niedrigerer elektrischer Energieaufnahme, • im Rahmen von Wartungs- und Instandsetzungsmaßnahmen aufgrund verringerter thermischer Beanspruchung des Installationsmaterials und reduzierter Verkalkungsneigung.

Georg Kerschensteiner Str. 29 am 17. Januar 2015 70,00 65,00 60,00 55,00 50,00 45,00 40,00

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Die Höhe des real erzielbaren Effizienzgrades hängt dabei wesentlich vom individuellen Nutzerverhalten (Abnahmemenge des Warmwassers) ab und wird entscheidend durch bau- und planungstechnische Maßnahmen beeinflusst. Hierzu zählen insbesondere die angemessene Dimensionierung und Dämmung des Trinkwarmwasserspeichers und der Zirkulationsleitungen sowie ein sachgerechter hydraulischer Abgleich.

Fernwärme Rücklauf

Speicherfühler Aus

Trinkwarmwasser

FW Rücklauf Soll: 45°C

FW Rücklauf Mittelwert: 32,39 °C

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Fazit Anlagenkonzepte, wie sie Yados für das Wohnquartier Krefeld-Elfrath entwickelt und umgesetzt hat, unterstützen Netz- und Anlagenbetreiber darin, hohe hygienerechtliche Vorgaben durch wirtschaftlich intelligent planbare Versorgungslösungen zu realisieren. Bereits heute ist das TWE-System „YADO|AQUA PR“ bundesweit in vielen Städten (darunter München, Augsburg, Erding, Markt Schwaben, Freising, Ulm, Stuttgart, Freiburg, Frankfurt, Offenbach, Köln, Bonn, Krefeld und Potsdam) sowie in vielen kleineren Fernwärmenetzen im Einsatz (Abb. 2, 5, 6). Es fördert dort ein zukunftsfähiges Energiemanagement, das die zentralen Kriterien der Sicherheit, der ökonomischen Effizienz, des Nutzungskomforts und nicht zuletzt der ökologischen Nachhaltigkeit in einer ausbilanzierten Gesamtlösung zusammenführt. ❚

WA Enzensbergerstr. 30, 85570 Markt Schwaben 90 °C

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Durchschnittliche Rücklauftemperatur Fernwärme vor Optimierung = 57,52°C (inkl. Heizung) Durchschnittliche Rücklauftemperatur Fernwärme nach Optimierung = 44,29°C (inkl. Heizung)

WzVLPrimär(°C) WzRLPrimär(°C) Primärvolumenstrom( l/h) Durchschnittlicher Volumenstrom Fernwärme vor Optimierung = 4123 l/h (inkl. Heizung)

Durchschnittlicher Volumenstrom Fernwärme nach Optimierung = 1852 l/h (inkl. Heizung)

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Wärmeversorgung

Treiber der Wärmewende Ausgestaltung intelligenter Wärmenetze 4.0 Der erfolg des energetischen transformationsprozesses hängt wesentlich von der entwicklung in der Wärmeversorgung ab. Dies betrifft insbesondere den gebäudesektor. eine geeignete option für eine ökologisch und ökonomisch tragfähige Wärmeerzeugung und -verteilung bieten intelligente Wärmenetze der sogenannten vierten generation. Welche Vorteile eine solche Netzlösung aus Betreiber- und nutzerperspektive aufweisen kann, zeigt beispielhaft das nahwärmeprojekt der gemeinde Teningen in Baden-Württemberg.

Gut die Hälfte des deutschen Endenergieverbrauchs entfällt auf die Wärmeversorgung: mehr als 50 Prozent auf den Raumwärmebedarf, gefolgt von Prozesswärme und Warmwasser. Damit bietet der Wärmemarkt ein beachtliches Potential für die Transformation der Energieversorgung und die Reduktion von CO2Emissionen. Im Fokus der angestrebten Wärmewende steht die Aufgabe, Effizienzpotentiale regenerativer Energieträger – auch im Mix mit fossilen Brennstoffen – wirksam auszuschöpfen. Als Schlüsselkonzepte setzen sich zunehmend progressive Nahwärmenetzlösungen durch. Langfristig technologieoffene Systeme gestatten es, erneuerbare Energien, optimierte Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und Abwärme mit höchsten Wirkungsgraden und einer deutlichen Reduktion des Primärenergieeinsatzes zu nutzen. Neben regulatorischen Rahmenbedingungen und staatlichen Anreizpro-

grammen werden insbesondere Gemeinden und Kommunen dazu beitragen können, den Auf- und Ausbau der netzgebundenen Wärmeversorgung zu forcieren. Ausschlaggebend für die erfolgreiche Umsetzung auf kommunaler Ebene sind strategisch ausgerichtete Wärmeplanungen, die gegebene Rahmenbedingungen integrieren und adäquate wirtschaftliche und technische Konzepte für Stadtteile, Quartiere und Einzelgebäude weiterentwickeln.

Projekt Nahwärmenetz: Einﬂussgrößen und Erfolgsfaktoren Die Entscheidung für den Auf- oder Ausbau eines Nahwärmenetzes geht mit der Festlegung auf ein langfristig angelegtes Versorgungskonzept und den zugehörigen Investitionserfordernissen einher. Detaillierte Machbarkeitsstudien und solide Wirtschaftlichkeitsberechnungen auf Basis harter Standortfaktoren und ökono-

qUaRtIERsEntWIcKLUng Heizungsjournal-special 1-2.2018

1 Mobile Kompaktlösung an der Wärmequelle: Am Standort der Biogasanlage baute Yados eine Hydraulikstation mit Wärmeauskopplungsmodul und integrierten Netzpumpen zur Einspeisung in das Wärmenetz in Containerausführung. Das Containersystem ist ortsbeweglich und kann bei Bedarf flexibel umgesetzt werden.

mischer Einflussgrößen sind daher für eine belastbare Kalkulationsgrundlage unerlässlich. Die Wirtschaftlichkeit von Nahwärmekonzepten ist eng an die reale Zahl der Anschlussnehmer gebunden. Nur wenn der Abnehmerkreis ausreichend groß ist, können Investitionsbeträge kosteneffektiv umgelegt und konkurrenzfähige Wärmepreise generiert werden. Synergien und Einsparpotentiale, wie beispielsweise anstehende Heizungserneuerungen in öffentlichen Liegenschaften, sollten bereits im Vorfeld einer Planung evaluiert und berücksichtigt werden. In der Gemeinde Teningen, unweit von Freiburg, lag der energetische Verbrauchsanteil der kommunalen Liegenschaften mit 8,5 Prozent des Primärenergiebedarfs im Stadtteil Oberdorf überdurchschnittlich hoch. Gleichzeitig verfügten mehrere Einrichtungen über Heizungssysteme mit akutem Modernisierungsbedarf. Über 90 Prozent der Anlagen in Oberdorf wurden bislang mit fossilen Energieträgern betrieben, größtenteils mit Gas oder Heizöl. Das Durchschnittsalter der Heizanlagen betrug 17 Jahre. Ein zentrales Argument für eine netzgebundene Wärmeversorgung stellen lokale, regenerative Wärmeerzeuger dar. Die Gemeinde Teningen konnte eine bereits existierende Biogasanlage mit einer thermischen Leistung von 250 kW und mehreren Millionen ungenutzter Kilowattstunden Wärme pro Jahr in ihr Nahwärmenetz einbinden. Zweite Wärmequelle ist eine Holzhackschnitzel-Heizung im Schul- und Sportzentrum mit 600 kW und freier Leistungskapazität. Bis zu 95 Prozent der benötigten Heizmasse liefert ein nahegelegenes Sägewerk. Die kurzen Transportwege ermöglichen es, das energetische Potential des biogenen

Festbrennstoffes – mit vergleichsweise geringer Energiedichte bei großem Volumen – optimal auszuschöpfen. Darüber hinaus unterstützt eine dezentrale Versorgung die Entwicklung der Wirtschaftsregion: Die gesamte Wertschöpfungskette ist lokal angesiedelt, die Abhängigkeit von externen Preisen, Ressourcen oder Lieferengpässen entfällt.

gleich kostenintensive Wärmeverluste im Netz. In Teningen wurden hochwertige Stahldoppelrohre mit verstärkter Dämmschicht verbaut. Im Vergleich zu Einzelleitungen übertragen diese deutlich weniger Wärme an das umgebende Erdreich.

Ein gleichermaßen ökonomisch wie ökologisch effektives Nahwärmenetz basiert auf einer professionellen Planung und ausgereifter Anlagentechnik. Die Planung für das 6.000 m umfassende Wärmenetz in Teningen erfolgte in Rosenheim. Die dort ansässige dme consult GmbH konzipierte ein hocheffizientes, saisonal-speichergestütztes und mit diversen erneuerbaren und konventionellen Energieträgern betreibbares Netz der sogenannten vierten Generation.

Für die Gemeinde Teningen fertigte die Yados GmbH leistungsfähige, rücklaufoptimierte Komponenten zur Wärmespeicherung, -verteilung und -übergabe sowie zur Bereitstellung von Warmwasser. Das Unternehmen mit Sitz in Hoyerswerda ist spezialisiert auf ganzheitliche Energielösungen, die den Gesamtprozess von der Erzeugung bis zur Verteilung und Übergabe abdecken. Sämtliche Komponenten und Energieerzeuger sind in ein übergeordnetes Leit- und Kommunikationssystem („Yado|Link“) integriert. Unabhängig von der Art des Energieträgers – Holz, Biogas oder Solarenergie – und der jeweiligen Leistung des Wärmeerzeugers sorgt das intelligente, zugriffsgeschützte System für eine präzise und stabile Zusammenarbeit der Einspeiser. Das LON-Bus basierte Netzwerksystem ermöglicht es, das Gesamtnetz inklusive Energieerzeuger und Einspeisepumpen exakt zu steuern und zu überwachen.

Die Herausforderung bei der Planung eines zukunftsfähigen Wärmenetzes liegt darin, ein (betriebs-)technisches Design zu entwickeln, das die effektive Absenkung des erforderlichen Primärenergieeinsatzes unterstützt. Das Niveau der Netzvorlauf- und -rücklauftemperaturen spielt dabei eine wesentliche Rolle. Gelingt es, diese durch eine möglichst hohe Spreizung dauerhaft auf einem optimalen Niveau zu halten, können Pumpenleistungen und Rohrdimensionierungen reduziert werden. Das spart nicht nur Investitionskosten für Material und Anlagentechnik, sondern verhindert zu-

Alle anlagenrelevanten Daten werden an integrierten Knotenpunkten erfasst, über eine Regelungseinheit an das Leitsystem übermittelt und dort analysiert und visualisiert. Kommt es bei den gesteuerten Erzeugungs- und Verteilprozessen zu Abweichungen oder Störungen, lassen sich diese unmittelbar in Echtzeit beheben. Darüber hinaus kann die Anlagenfahrweise über das Leitsystem kontinuierlich modifiziert und optimiert werden. Die Ausregelung der Rücklauftemperaturen in Abhängigkeit vom Nutzerverhalten ist während des laufenden Betriebs per Fernwartung möglich.

Ergänzt wurde die neue Infrastruktur der Gemeinde um eine Solarthermieanlage und einen zuschaltbaren Gaskessel mit 600 kW. Drei Pufferspeicher mit insgesamt 54 m³ Fassungsvermögen sorgen für den Ausgleich von Wärmeangebot und Wärmenachfrage.

Planung von 6 km Wärmenetz

quartiersentwicklung HeizungsJournal-Special 1-2.2018 11

Fazit: Konkurrenzfähige Wärmegestehungskosten Seit über zwei Jahren ist das mit Fördermitteln der Europäischen Union und dem Land Baden-Württemberg unterstützte Teninger Wärmenetz in Betrieb. Die Wärmegestehungskosten für die Anschlussnehmer sind stabil und liegen im Vergleich leicht unter den Kosten für das Heizen mit fossilen Energieträgern.

Bereits im ersten Jahr sparte die Gemeinde durch den Netzbetrieb 351.000 Liter Heizöl. Das entspricht einer CO2Vermeidung von 1.100 Tonnen. Vor dem Hintergrund der positiven Ökobilanz wurde das Leuchtturmprojekt gleich mehrfach ausgezeichnet, unter anderem im Rahmen des Förderprogramms „Klimaschutz mit System“ des Umweltministeriums Baden-Württemberg und vom Fachverband Biogas. In einer zweiten und geplanten dritten Bauphase erweitert die Gemeinde ihr Wärmenetz, sodass sich die energetische Effizienz und Wirtschaftlichkeit des Netzbetriebs zukünftig weiter verbessern lässt. Gleichzeitig profitieren rund 200 zusätzliche Haushalte mit 450 Verbrauchern, das Schulzentrum, zwei Kindergärten und das örtliche Freibad von einer stabilen und umweltentlastenden Wärmeversorgung. ❚ [Karl Gentner, Yados GmbH] Weitere Informationen unter: www.yados.de www.nahwaerme-teningen.de

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2 Vom Wärmenetz in den Haushalt: Die Wärmeübergabestation ist das Bindeglied zwischen Wärmeanschlussleitung und Gebäudeheizung. Sie reguliert Druck und Temperatur des Heizwassers und berechnet die notwendige Vorlauftemperatur nach individuellen Vorgaben und abhängig von den jeweils vorherrschenden Außenbedingungen. (Fotos: Yados)

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3 Die Oberfläche des Leit- und Kommunikationssystems: Der energetische Soll- und Istzustand jedes einzelnen Wärmenetzkunden wird in Echtzeit visualisiert. Heizzeiten, Temperaturen und Einstellungen können per Fernwartung überwacht und gesteuert werden. Darüber hinaus zeigt das System den Wärmeverbrauch des Abnehmers in Tages-, Wochen- und Monatsbalkendiagrammen an. Aus den generierten Daten lassen sich wichtige Informationen für die Betriebsoptimierung ableiten.

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4 Der größte regenerative Energieerzeuger in Teningen ist die Holzhackschnitzel-Heizung an der örtlichen Schule. Die verwertbare Biomasse wird von einem regionalen Sägewerk bezogen und in einem 120 m³ großen Speicher gelagert. Sein Fassungsvermögen reicht im Winter für zwei Wochen Volllastbetrieb.