Nahwärmenetz

Die Gemeinde Offenbach beschäftigt sich bereits seit vielen Jahren mit der Frage, wie die Energieeffizienz im öffentlichen und privaten Bereich gesteigert und damit der Klimaschutz vorangebracht werden kann. Denn für eine wirksame Energiewende in den Kommunen, brauchen wir Gebäude, die mit der Zukunft gehen und Nachhaltig sind. 

Die Verbandsgemeinde Offenbach hat in Zusammenarbeit mit der Queichtal Energie Offenbach und der EnergieSüdwest Projektentwicklung das Konzept der kalten Nahwärme in Offenbach entwickelt. Dafür wurden die zentralen Aspekte eines kalten Nahwärmenetzes betrachtet und auf ihre Eigenschaften hin untersucht. Die abschließende Bewertung der Wirtschaftlichkeit – vor allem aber der Umweltaspekte im Vergleich zu konventionellen Nahwärmenetzen und Einzelversorgungslösungen hat gezeigt, dass dieses System klare Vorteile birgt. Aus diesem Grund wurde die Entscheidung getroffen den Neubau des Rathauses das Gebäude an das System der „kalten“ Nahwärme anzuschließen.

Standorte des geplanten kalten Nahwärmenetzes

• das aktuelle Rathaus, neues Rathaus im Bau
• das Queichtalbad (mit Gaststätte),
• Queichtal-Stadion mit aktueller Sporthalle, Vereinshaus FSV 1920, Sporthalle Erweiterungsbau, neues Gemeindezentrum.
• die Queichtal Feuerwehr,
• Kita Queichhüpfer

Ergänzend zu den kommunalen Liegenschaften umfasst das Projektgebiet viele Wohngebäude und Nichtwohngebäude im Bestand, welche ggf. an das Wärmenetz angebunden werden können. Zusätzlich existiert östlich des Queichtalbads eine Ackerfläche, die für ein Neubaugebiet (ca. 44 WE) genutzt werden soll.

Nächste Schritte

Mit der Machbarkeitsstudie soll vorrangig ermittelt werden, ob die kommunalen Bestandsgebäude und Neubauten mit erneuerbarer Wärme versorgt werden können. Zusätzlich soll das Anschlusspotential der Bestandswohngebäude durch eine Befragung und Bewertung technisch und wirtschaftlich geprüft werden, um ggf. eine Erweiterung mit vorzubereiten.

Das sich im Bau befindende neue Rathaus wurde so geplant, dass die bereitgestellte Wärme der PVT-Kollektoren in Kombination mit Wärmepumpen und Wärmespeichern den eigenen Wärmebedarf decken kann. Im Rahmen der Erschließungsarbeiten des neuen Rathauses wurden bereits eine Wärmeleitung vom neuen Rathaus zum Queichtalbad verlegt. Diese kann für das geplante Wärmenetz als Verbindungsstück genutzt werden. Für die Leitungen wurden keine Fördermittel beantragt oder erhalten und sie wurden bereits vollständig mit Eigenmitteln finanziert. Somit werden sie nicht als Kostenpositionen in der Machbarkeitsstudie aufgeführt. Durch die Verwendung der bereits verlegten Leitungen und der Erweiterung zu einem kalten Wärmenetz können Fördermittel eingespart werden.

Zeitplan der verschiedenen Standorte zur Anbindung an das Wärmenetz

Projekt Rathaus

Konzept Rathausneubau und Systemschema 

Solare Nahwärme, kaltes Netz, Stromlieferung
• Die EnergieSüdwest Projektentwicklung wurde von der Gemeinde Offenbach beauftragt die Heizung für das neue Rathaus zu bauen.
• Neben der Heizung wird Kälte im Sommer sowie für den Server geliefert
• Mit PV und PVT soll für das Gebäude Strom erzeugt werden (Eigenverbrauch und Direktbelieferung)

Die Dachfläche des neuen Rathauses sieht – schematisch dargestellt – wie auf dieser Grafik aus: Belegt wird des mit Photovoltaikmodulen zur Stromerzeugung und (Foto links) mit PVT – oder „Hybrid“-Modulen, die sowohl Strom, als auch Wärme liefern. Letztere wird dadurch gewonnen, dass Kühlrippen die bei der Stromerzeugung durch die PV-Module entstehende Wärme aufnimmt und an eine Wärmepumpe liefert. (Siehe Foto unten) 

Dadurch kann das komplette Rathaus beheizt und im Sommer gekühlt werden. Die Wärmeentnahme im Sommer verbessert wiederum den Wirkungsgrad der PV-Module. Überschüssige Wärme wird an ein Nahwärmenetz abgegeben und kann in anderen Liegenschaften, wie z.B. im Schwimmbad, genutzt werden. Mit dieser Technik kann zunächst das neue Rathaus völlig unabhängig von fossilen Energieträgern beheizt werden. Dadurch werden jährlich etwa 55 t CO2 vermieden.

Was ist kalte Nahwärme überhaupt?

Kalte Nahwärme ist die gebräuchliche Beschreibung für ein Anergienetz. Die Begrifflichkeit beruht dabei auf der Systemtemperatur des Verteilnetzes von < 20°C. Während konventionelle Nahwärmenetze mit Vorlauftemperaturen bis etwa 90°C betrieben werden, arbeitet ein Anergienetz mit etwa 15°C. Diese Temperatur wird als „kalt“ empfunden, bietet aber als Quelle für dezentrale Sole/Wasser-Wärmepumpen ausreichend viel Energie, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen. 

Wie in Abbildung dargestellt, entzieht das Energienetz der Umwelt, über eine in der Umgebung vorhandenen Quelle, Energie auf sehr niedrigem Niveau (Anergie) und transportiert sie zu den dezentralen Wärmepumpen bei den Endverbrauchern. Die so bereitgestellte Anergie wird dann mit Hilfe von zusätzlicher Hilfsenergie (z.B. Strom) mittels einer Wärmepumpe auf den benötigten Temperaturlevel angehoben. Zusätzlich kann das Netz auch direkt zur Kühlung des Gebäudes verwendet werden, indem die Wärmepumpe inaktiv bleibt und die vorhandenen Heizflächen somit zur Kühlung des Gebäudes genutzt werden.

Wird die benötigte Hilfsenergie für die Wärmepumpen auch aus erneuerbaren Energiequellen (Wind, Wasser, Sonne) bezogen, kann die Wärme bzw. Kälte annähernd CO2-frei bereitgestellt werden. Das kalte Nahwärmenetz rund um das Rathaus der Verbandsgemeinde Offenbach heizt und kühlt mehrere Gebäude komplett aus erneuerbaren Quellen.

Welche Wärmequellen kommen in Frage?

Wärmequellen können auf verschiedene Arten in einem Wärmenetz integriert werden. Als Zentrale Wärmeerzeugung bezeichnet man ein bis zwei feste Teilnehmer im Netz, welche für die nötige Temperatur sorgen und auch den Medientransport gewährleisten. Bei der dezentralen Erzeugung dagegen wird von mehreren Teilnehmern Wärme eingespeist, d.h. jeder Teilnehmer kann seine überschüssige Wärme auch in das Netz einspeisen.

Dies ist besonders im Sommer von Vorteil, da Gebäude bei dieser Variante ohne zusätzliche Aggregate über das Netz gekühlt werden können. Zudem können damit auch kosten- und energieneutral die angeschlossenen Speicher regeneriert werden. Um eine ständig ausgeglichene Gesamtbilanz im Netz sicherzustellen, werden aber auch in einem solchen System Speicher und Wärmequelle benötigt.

Zur Wärmebereitstellung für niedrige Temperaturen bietet sich meist die oberflächennahe Geothermie als grundlastfähige Quelle an. Dabei kommt es auf die Gegebenheiten an, welche Art der Geothermie verwendet werden kann. Ein weiterer Vorteil der Geothermie besteht darin, dass sie in den meisten Varianten auch als Wärmespeicher genutzt werden kann. Dabei wird die über den Winter entzogene Wärme, mit der im Sommer überschüssigen Wärme, zurückgeführt und das Erdreich so thermisch regeneriert. Da eine Wärmeabnahme in einer geringen Tiefe nur mit einer jederzeit ausgeglichenen Bilanz von Wärmeabnahme und Wärmeeintrag funktioniert, wird in der Regel auf wenigstens 100m abgeteuft. Ab dieser Tiefe wird vom Erdinneren genügend Wärme nachgeliefert, um bei einer nicht ausgeglichenen Bilanz, den Boden nicht gefrieren zu lassen.

Weitere Wärmequellen können auch sein:

• Trinkwasser (wird schon zur Beheizung des Schwimmbads seit Jahren genutzt. Das funktioniert über einen Wärmetauscher, der dem Wasser Energie entzieht).
• Rücklauf eines nahegelegenen Nahwärmenetzes oder einer bestehenden Hausinstallation.
• Solarthermie (die über dem Eingang des Queichtalbads installierte Anlage könnte auch im Winter Energie zum Heizen liefern).
• Hybridmodule (erzeugen Strom und Wärme zugleich. Diese Technik wir auf dem Dach des neuen Rathauses installiert).
• Abwärme aus Gewerbe oder Industrie (das vermeidet zusätzlich erforderliche Kühlanlagen bei Produktionsprozessen).
• Abwasserkanäle (mittels in den Kanalrohren verlegten Matten).
• Fahrbahnkollektoren (sind noch im Entwicklungsstadium)

Bislang wurden die Grundlagen des sogenannten „kalten“ Nahwärmenetzes dargestellt, wie es rund um das neue Rathaus in Offenbach geplant ist. Ein solches Netz kann aus verschiedenen erneuerbaren Energiequellen Gebäude heizen, aber auch kühlen.

Wie sieht der Netzaufbau aus?

Der Aufbau eines Wärmenetzes hängt von verschiedenen Faktoren ab. Wirtschaftlichkeit und Topografie des Einsatzortes sind hierbei wichtige Größen. Um diesen gerecht zu werden, muss bei der Planung auf verschiedene Eigenschaften geachtet werden.

Die höchste Versorgungssicherheit stellt das Maschennetz dar, da Verbraucher aus mehreren untereinander verbundenen Abschnitten angefahren werden können. Es wird meist in Kerngebieten mit hoher Wärmedichte und hohem Anspruch an die Versorgungssicherheit verwendet und zählt als die teuerste Variante eines Wärmenetzes. Allerdings hat das Maschennetz den großen Vorteil, dass es fast beliebig erweiterbar ist und sich im optimalen Fall über einen kompletten Ort erstrecken kann.

Leitersysteme
Im Bereich der Wärmenetze kommen Systeme mit ein bis vier Leitern zum Einsatz. Das Zwei-Leiter-System ist das am weitesten verbreitete System. Durch die systembedingte Parallelschaltung ist die Vorlauftemperatur bei allen Abnehmern nahezu gleich hoch. Die meisten Anergienetze bestehen aus jeweils einem Leiter für Vor- und Rücklauf (Zwei-Leiter-System). In diesem System weist der Vorlauf im Heizbetrieb eine höhere Temperatur auf als der Rücklauf, während es sich
im Kühlbetrieb umgekehrt verhält. Dabei ändert sich allerdings nicht das Temperaturniveau im Vorlauf bzw. Rücklauf, sondern die Abnehmer ändern die Förderrichtung wie in Abbildung unten schematisch dargestellt.

passiv-bidirektionales Netz

Soweit die Grundlagen des sogenannten „kalten“ Nahwärmenetzes, wie es rund um das neue Rathaus in Offenbach geplant ist. Ein solches Netz kann aus verschiedenen erneuerbaren Energiequellen Gebäude (auch Privathäuser) heizen, aber auch kühlen.

Medienfluss: In einem ungerichteten Netz (passiv) sorgen die dezentralen Wärmepumpen der Abnehmer für die nötige Zirkulation. Da ein Anergienetzweitestgehend auf dem Temperaturniveau der Umgebung arbeitet und jeder Teilnehmer zu der Energiebilanz (positiv und negativ) beiträgt, muss der Wärmeträger hier nicht kontinuierlich zirkulieren. Das ermöglicht auch jedem Teilnehmer, je nach Bedarf, seine Energie aus dem Vor- oder Rücklauf zu beziehen.

Energiefluss: Bidirektionale Netze dienen als Wärmequelle sowie als Wärmesenke. Jeder angeschlossene Teilnehmer kann also zu jeder Zeit Wärme zu- oder abführen. In einem passiven Energienetz handelt es ich um die bevorzugte Betriebsweise.

Speicher
Heutzutage spielen Wärmespeicher eine zentrale Rolle in der Wärmeversorgung. Erst mit ihnen ist es möglich die Erzeugung vom Verbrauch zu entkoppeln. Damit kann in Zeiten der regenerativen Energieerzeugung, die nicht immer linear bzw. konstant ist, die Versorgung deutlich erhöht werden. „Peak-shaving“ ist nicht nur ein Begriff aus der Strombranche, sondern spielt auch bei der Wärmeversorgung eine Rolle. Überschusswärme, etwa aus Solarthermie, kann mit einem Speicher in Phasen der Unterversorgung verschoben werden. Speicher können kontinuierlich mit kleiner Leistung geladen werden und im Lastfall die Leistung der Therme um ihren Anteil erhöhen. Somit kann zum Beispiel in einem Einfamilienhaus die Heizungsanlage bzw. die Anschlussleistung, etwas kleiner ausgelegt werden. Auch oder gerade für die Versorgung über ein Wärmenetz kann ein richtig platzierter Speicher entscheidende Vorteile für die Versorgungssicherheit und Entlastung des Netzes bieten.

Grundsätzlich werden Wärmespeicher in ihrer Speicherdauer als Kurzzeit- oder Langzeitspeicher unterschieden. Mit diesen Begriffen wird meist auch die Größe der Speicher erkennbar. Ein Kurzzeitspeicher muss Wärme nur über ein paar Stunden bis zu ein paar Tagen zur Verfügung stellen können. Langzeitspeicher hingegen speichern Wärme über Tage oder Monate. Daher auch der Begriff der saisonalen Speicherung. Da es sich bei Langzeitspeichern meist um sehr große Projekte handelt, werden dafür auch unterschiedlichste Konzepte, wie etwa die thermochemische Speicherung, erforscht und genutzt. In der Art und Weise wie Wärme gelagert wird, ist zu unterscheiden zwischen sensibler, latenter oder
thermochemischer Wärmespeicherung (Reaktionswärme).

Bei der Speicherung als sensible Wärme wird einem festen oder flüssigen Stoff Wärme zu- oder abgeführt, wodurch dieser seine Temperatur fühlbar ändert. Meistens wird die Wärme dabei in Wasser, Beton oder der Erde gespeichert. Der typische Kurzzeitspeicher für sensible Wärme ist der Pufferspeicher im Heizungsraum eines Einfamilienhauses. Ein Langzeitspeicher für sensible Wärme kann z.B. eine Erdwärmesonde sein.

Die Speicherung von latenter Wärme erfolgt drucklos und ohne große Volumenänderung. Verwendet werden dafür Phase Change Materials (PCM). Diese Materialien können beim Wechsel ihres Aggregatszustands, meist fest-flüssig, sehr viel Wärme aufnehmen bzw. abgeben. Bei diesem Vorgang ändert sich die Temperatur des PCM nicht (isotherm), erst nachdem der Phasenübergang abgeschlossen ist erwärmt es sich weiter. Das bekannteste Beispiel hierfür ist das Gefrieren und Schmelzen von Wasser bei 0°C in einem Eisspeicher (Siehe Foto links).
Unter dem Begriff der thermochemischen Speicherung versteht man die Speicherung von Wärme in Sorptionsprozessen oder chemischen Reaktionen. Diese Art der Wärmespeicherung steckt allerdings noch in den Grundlagen. Die Speicherung erfolgt hier über einen Chemischen Prozess, bei dem man durch Zufuhr von Wärme, zwei Substanzen voneinander trennt. Bei der Entnahme aus dem Speicher werden diese Substanzen wieder zusammengeführt und dadurch Wärme abgegeben. 

Der große Vorteil dieser Speicher liegt darin, dass Verluste nur bei Be- und Entladung des Speichers entstehen, nicht aber bei der Lagerung. Durch die getrennte Aufbewahrung der Substanzen lässt sich Wärme fast beliebig lange und logistisch günstig „lagern“. Für die Wärmespeicherung wird unter anderem die Nutzung des Kellers des alten Rathauses geprüft.