Zeitschrift EE

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Innovative Energiekonzepte im Neubau

Studienergebnis: Die Wärme- und Kälteversorgung städtischer Neubaugebiete mit vor Ort verfügbaren regenerativen Energieträgern ist technisch und wirtschaftlich machbar

von Franz Zach und Walter Becke

In dem vom Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie, Stadt Wien und Wien Energie unterstützten Forschungsprojekt „urban PV+geotherm“, das von Österreichischer Energieagentur, AEE INTEC, Ochsner Wärmepumpen und geohydrotherm durchgeführt wurde, konnte die Machbarkeit der Wärme- und Kälteversorgung des Wiener Stadtentwicklungsgebiets Nordwestbahnhof ausschließlich mit erneuerbaren, vor Ort verfügbaren Energieträgern nachgewiesen werden.

Das 44 Hektar große Stadtentwicklungsgebiet Nordwestbahnhof (derzeit Frachtenbahnhof) im 20. Wiener Gemeindebezirk wird in den nächsten Jahren mit ca.5.000 Wohnungen für 11.000 Personen sowie Gebäuden mit 5.000 Arbeitsplätzen bebaut werden. Das Forschungsprojekt befasste sich mit der Frage der ökologisch und ökonomisch optimalen Versorgung mit Wärme und Kälte für dieses Gebiet.

Abbildung 1. Quelle: AEE INTEC.

Die Herausforderung für eine 100 % erneuerbare Versorgung im dicht bebauten Gebiet ist die beschränkte Fläche aufgrund der hohen Bebauungsdichte. Jedoch stehen im urbanen Gebiet viele verschiedene regenerative Energiequellen zur Verfügung, z.B. Solarenergie (thermisch und elektrisch nutzbar), Energie aus dem Abwasser im Kanal, aus der Außenluft sowie aus Kühlprozessen in den geplanten und bereits in der Umgebung existierenden Gebäuden.

Das untersuchte Energiekonzept basiert auf einem „Anergienetz“, einem Niedertemperatur-Verteilnetz, an das Wärmeverbraucher und Kälteverbraucher angeschlossen sind und in dem die jeweils benötigte Temperatur mit Wärmepumpen erzeugt wird. In Erdsondenspeichern können die Wärmeeinträge, die während des Sommers den Bedarf übersteigen, saisonal gespeichert und im Winter genutzt werden. Dies ermöglicht es, dass auch im Winter genügend Wärme zur Verfügung steht und keine anderen Quellen wie Erdgas, Heizöl etc. für die Wärmeerzeugung benötigt werden.

Wirtschaftlich besonders vorteilhaft ist das Konzept „Anergienetz“ in Gebieten mit etwa gleich hohem Wärme- wie Kältebedarf. Wie das Beispiel der ETH Zürich auf dem Hönggerberg zeigt, sind in diesem Fall gar keine Zusatzwärmequellen wie Solarenergie, Abwasserwärme etc. notwendig. In den meisten Fällen (v.a. in Wohngebieten) überwiegt jedoch der Wärmebedarf. Daher ist es wichtig, auf dem Areal oder in der Umgebung befindliche Abwärme, z.B. aus Bürokühlung, Supermärkten, Gewerbe (z.B. Wäschereien, Brauereien, Krankenhäusern etc.) zu nutzen, um Synergieeffekte zu erzielen und so die Wirtschaftlichkeit dieses Konzepts zu optimieren.

Für eine hohe Arbeitszahl der Wärmepumpen sind für Wärmeanwendungen möglichst niedrige Vorlauftemperaturen anzustreben, bei Kälteanwendungen möglichst hohe. Daher sind Flächenheiz- und -kühlsysteme, trotz der Mehrkosten in der Bauphase, vorteilhaft.

Die im dicht bebauten Gebiet nutzbaren Wärmequellen sind insbesondere:

  • Nutzung der Abwärme aus Kühlprozessen im Areal und in der Umgebung
  • Solarenergie in Form von Photovoltaik, Solarthermie oder wie in diesem Fall Hybrid-Kollektoren, wo Photovoltaikmodule und thermische Kollektoren vereint werden – diese haben damit die höchste Flächeneffizienz unter den Solartechnologien. Bis zu 150 kWh elektrische Energie und über 450 kWh thermische Energie können jährlich pro Quadratmeter geerntet werden. In Verbindung mit einem Niedertemperaturnetz können sie ihre Vorteile ausspielen. Für die Regeneration eines Anergienetzes reichen Temperaturen von 25 – 30°C aus, welche bestens für die Kühlung von PV-Modulen geeignet sind. Auf diese Weise kann dem Erdspeicher die im Winter entzogene Wärme wieder zugeführt werden. Damit wird eine Auskühlung des Erdreichs verhindert und gleichzeitig der elektrische PV-Ertrag optimiert. Durch die solare Stromerzeugung können die Wärmepumpen zum Teil mit vor Ort erzeugter regenerativer Energie versorgt werden.
  • Zur Nutzung der Abwasserenergie wird Abwasser aus einem Hauptkanal geleitet, gesiebt und einem eigenen Wärmetauscher zugeführt, der mit einer Wärmepumpenanlage verbunden ist. Ein Kanalwärmetauscher ist bei dieser Anlagengröße nicht praktikabel und überdies in Wien aus kanalbetrieblichen Gründen nicht zugelassen.
  • Luftwärmepumpen in Verbindung mit Anergienetzen und Erdsondenspeichern können bei intelligenter Steuerung eine hohe Arbeitszahl erreichen (z.B. Betriebsstunden nur bei einer Außentemperatur größer als 10°C). Die Wärme wird im Sommer in das Speichersystem (Anergienetz + Erdsonden) eingebracht und kann im Winter mit Hilfe von Wärmepumpen genutzt werden. Gleichzeitig kann der hauptsächlich im Sommer produzierte PV-Strom sinnvoll verwertet werden.

Die Warmwasserbereitung mit dezentralen Frischwasserstationen statt großer Trinkwarmwasserspeicher ermöglicht niedrigere Temperaturen und damit bessere Bedingungen für Wärmepumpen (keine Mindesttemperatur wegen Legionellensicherheit notwendig). Die Mehrkosten für die Investitionen stehen niedrigerem Stromverbrauch durch die Wärmepumpen (aufgrund höherer erzielbarer Jahresarbeitszahlen) gegenüber.

Für das Projekt Nordwestbahnhof Wien wurden vier Varianten mit Anergienetz verglichen. Als übergeordnete Referenz wurde die vollständige Gasversorgung des Gebietes herangezogen. Abwasserenergie und Abwärme sind in allen Varianten im technisch möglichen Ausmaß vorgesehen

  • „PVT“: PVT + Dimensionierung des Anergienetzes, der Speicher und der Wärmepumpen auf –12°C Normaußentemperatur
  • „PV“: PV + Dimensionierung des Anergienetzes, der Speicher und der Wärmepumpen auf –12°C Normaußentemperatur
  • „PVT + Gas“: PVT + Dimensionierung des Anergienetzes, der Speicher und der Wärmepumpen auf 0°C Außentemperatur + Gaskessel zur Spitzenabdeckung
  • „PV + Gas“: PV + Dimensionierung des Anergienetzes, der Speicher und der Wärmepumpen auf 0°C Außentemperatur + Gaskessel zur Spitzenabdeckung.

Luftwärmepumpen wurden stets in jener Menge eingeplant, in der sie für eine über das Jahr ausgeglichene Wärmebilanz des Erdspeichers sorgen können (bei den Varianten mit PV-Kollektoren sind daher mehr Luftwärmepumpen notwendig als bei jenen mit PVT-Kollektoren).

Die thermische Energiebilanz (also ohne Haushaltsstrom, auch ohne Umwälzpumpen) sieht wie folgt aus:

Tabelle 1

Der Stromverbrauch (für Wärmepumpen, Haushaltsstrom etc.) kann jedoch nur zu einem kleinen Teil vor Ort erzeugt werden. Für eine Selbstversorgung – auch bloß im Jahresmittel – ist die Bebauungsdichte zu hoch.

Die ökologische Bilanz sieht wie folgt aus (nach OIB 6, 2015):

Tabelle 2

Die Variante mit PVT-Kollektoren und ohne Spitzenlastabdeckung mit Erdgas ist damit nach allen untersuchten Kriterien die ökologischste Option.

Die Gesamtkosten wurden mit der Annuitätenmethode (nach VDI 2067) berechnet und ergeben folgendes Bild (in Euro/Jahr über eine Laufzeit von 25 Jahren):

Tabelle 3

Wieder zeigt sich hier, dass die Variante mit PVT-Kollektoren und ohne Spitzenlastabdeckung mit Erdgas gut abschneidet (Bestwert unter den erneuerbaren Optionen), wenngleich die Referenzvariante mit Erdgas mit den derzeit niedrigen Preisen für fossile Energieträger noch besser abschneidet. Aus volkswirtschaftlicher Sicht ist jedoch die Investition in Technologien wie Erdgas, die (aufgrund der hohen Importquote) einen niedrigen Wertschöpfungsanteil im Inland haben, anders zu bewerten als Investitionen in innovative Technologien wie Anergienetze, in denen von einem wesentlich höheren inländischen Wertschöpfungsanteil und von einer Stimulierung der heimischen Industrie ausgegangen werden kann.

Bei den erneuerbaren Varianten stehen im Vergleich zur Versorgung mit Erdgas die Mehrkosten in der Bauphase niedrigeren laufenden Kosten gegenüber. Der kostenmäßige Vorteil liegt auf Seiten des Nutzers, der Investor hat Mehrkosten zu tragen.

Downloads zum Forschungsprojekt mit weiteren Details sind ab Ende Februar 2016 unter www.energyagency.at/projekte-forschung/gebaeude-haushalt.html abrufbar.

Autorenbeschreibung

DI Walter Becke ist bei AEE INTEC im Bereich Solarthermische Komponenten und Systeme tätig ( This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. )

DI Franz Zach ist wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der Österreichischen Energieagentur (AEA).

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