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Fernwärme als Schlüssel für die städtische Wärmewende

Wolfgang Götzhaber, Ernst Meißner, Gerald Moravi , Werner Prutsch, Peter Schlemmer, Robert Schmied, Erich Slivniker, Martin Zimmel

Ausgangslage

Wärmepumpe mit bis zu  5,75 MWtherm  im Stahl- und Walzwerk Marienhütte zur Nutzung der Abwärme für das Grazer Fernwärmenetz. Foto: Grazer Energieagentur

Das Grazer Becken zählt mit der schlechten Durchlüftung im Winter zu den am höchsten mit Feinstaub und Stickstoffdioxid belasteten Gebieten Österreichs. Beim „Hausbrand“ konnte vor allem durch den Ausbau leitungsgebundener Energieträger - insbesondere der Fernwärme - eine spürbare Reduktion der Emissionen erreicht werden.

Neben Bereichen mit einer Anschlussverpflichtung an das Fernwärme-Netz (mit Ausnahmen!) auf Basis des § 22 Stmk. Raumordnungsgesetz ist vor allem ein umfangreiches Förderprogramm anzuführen. Damit wurde schon 2012 ein Fernwärme-Anteil von knapp 40% erreicht, aktuell ist die Stadt Graz auf dem Weg, diesen Anteil auf 60% zu steigern. Aktuell ergibt sich im „Großraum Graz“ ein jährlicher Fernwärme-Bedarf von etwa 1.200 GWh bei einer Spitzenleistung von etwa 530 MW.

Bisher basierte die Wärmeaufbringung wesentlich auf Kraft-Wärme-Kopplung im Kraftwerkspark Mellach. Es mussten aber die Betriebsprognosen für KWK-Anlagen aufgrund der stark fallenden Strompreise nach unten korrigiert werden.
In dieser Situation wurde eine Arbeitsgruppe rund um ein Kernteam, bestehend aus Energie Steiermark, Energie Graz, Holding Graz und Grazer Energieagentur unter Leitung des Grazer Umweltamtes konstituiert, die sich intensiv mit dem „Fernwärme-Aufbringungsmix 2020/30“ auseinandersetzte.

Ziele des Fernwärme-Aufbringungsmix 2020/30:

  • Keine Verschlechterung beim Primärenergiefaktor der Fernwärme-Aufbringung (und damit der CO2-Bilanz)
  • Keine Verschlechterung bei den spezifischen Emissionen
  • Berücksichtigung der Immissionssituation in Graz
  • Keine Erhöhung der Kosten in Relation zu anderen Beheizungsarten
  • Beibehaltung der Versorgungssicherheit

Erdgaskessel wahren in der Winterspitze die Versorgungssicherheit, können aber im Sinne der „Dekarbonisierung“ nicht der Weisheit letzter Schluss sein.

Energieeffizienzmaßnahmen

In einer zukunftsfähigen Planung sind alle Energieeffizienzmaßnahmen auszuschöpfen. Effizienzsteigerungen im Gebäudebestand sind seit vielen Jahren Hauptpunkt, allerdings darf bei innerstädtischem Altbestand die Erwartungshaltung nicht zu hoch angesetzt werden.

Im Fernwärme-System laufen Bemühungen zur Absenkung der Rücklauftemperaturen und der Leistungsspitzen, was jedoch Eingriffe in Kundenanlagen bedingt. Im Fernwärme-Netz wird an der Optimierung von Einspeisung und Speicherung, auch mit Nutzung unterschiedlicher Temperaturniveaus bzw. des Fernwärme-Rücklaufs, gearbeitet.

Ziel ist die Umsetzung eines „smarten“ Fernwärme-Netzes mittels Einbindung von Speichern, Power to Heat- und Hybridlösungen oder intelligenter Informations- und Kommunikationstechnologien (Wetter- und Bedarfsprognosen, Aufbringungsoptimierung). Partnerschaften mit Kunden in Bezug auf Temperaturniveau, Energieeffizienz, Lastmanagement und ähnlichem sowie die Nutzung von Niedertemperatur-Fernwärme mit Einbindung von Alternativenergien in Stadtentwicklungsgebieten sind weitere Ziele.

Die besonderen Herausforderungen bei der Nutzung von Alternativenergien sind die Bedarfsspitzen im Winter (bis zu 530 MW) mit Vorlauftemperaturen bis zu 120°C, die Volatilität vieler erneuerbarer Energien, die begrenzte regionale Verfügbarkeit von Biomasse sowie die besondere Immissionssituation in Graz.

Umgesetzte Maßnahmen bzw. Maßnahmen in Umsetzung

In der Umsetzung bzw. bereits fertig gestellt sind nach umfangreichen Evaluierungen folgende Maßnahmen:

  • Niedertemperatur-Abwärmenutzung mit Wärmepumpen im Stahl- und Walzwerk Marienhütte (bis zu 11,5 MW, ca. 4 % des Fernwärme-Bedarfes)
  • Abwärmenutzung „Eishalle Liebenau“ (0,7 MW aus Abwärme Kältemaschinen mit Wärmepumpe)
  • Abwärmenutzung aus dem Papier- und Zellstoffwerk Sappi in Gratkorn (Leitung ca. 11 km, bis zu 35 MW, ca. 13 % des Fernwärme-Bedarfes)
  • Solares Speicherprojekt „HELIOS“ Neufeldweg (Entladeleistung bis 10 MW, Solarflächen modular 2.000 -10.000 m² in Kombination mit Deponiegas-BHKW und Power-to-Heat)
  • Hackgut-Biomasseanlage aus regionaler Aufbringung in Hart bei Graz mit 5 MW (ca. 2 % des Fernwärme-Bedarfes)
  • Wärmeeinspeisung der FARINA-Mühle  mit 0,25 MW (Wärme aus biogenen Abfällen)


Weitere Potenziale werden laufend geprüft, aktuell z.B. eine Abwasserwärmenutzung im Ablauf der Kläranlage der Stadt Graz mit Wärmepumpen (ca. 7 MW, ca. 5 % des Fernwärme-Bedarfes).

Energiemodell Graz Reininghaus

Ein gutes Beispiel für eine moderne Konzeption der Wärmeversorgung in „Smart-City“-Neubaugebieten ist das Energiemodell Graz Reininghaus. Es handelt sich um ein Stadtentwicklungsgebiet im Westen von Graz mit einer Fläche von ca. 54 ha und ca. 10.000 bis 12.000 BewohnerInnen im Endausbau.

Eckpunkte des Energiemodells Reininghaus sind eine emissionsarme Wärmelieferung, ein Niedertemperatur-Wärmenetz (max. 68°C) mit Nutzung industrieller Abwärmequellen, zwei hocheffizienten Großwärmepumpen mit je bis zu 5,75 MWtherm, 1.700 m³ Wärmespeicher als Tages- und Wochenspeicher, eine Photovoltaik-Anlage mit (85 kWp) sowie die Einspeisung von Überschuss-Wärme mit bis zu 95°C in das bestehende Fernwärme-Netz (ca. 40 GWh/a).

Biomasse

Biomasse hat in einem modernen Fernwärme-Aufbringungsmix jedenfalls Bedeutung, allerdings ist diese durch begrenzte regionale Verfügbarkeit von Biomasse und die spezielle Immissionssituation in Graz begrenzt.
Die Errichtung eines großen Biomasseheiz(-kraft)werkes mit einer Leistung im mehrstelligen MW-Bereich würde eine internationalisierte Brennstofflogistik erfordern. Damit verbunden wären Fragen der Transportemissionen, der langfristig planbaren Lieferung und der nachhaltigen Waldnutzung. Weiters ist bei größeren Anlagen trotz moderner Filtertechnik die Emissionsfracht besonders zu beachten.

Umweltwärme

Intensiv untersucht wurden auch Potenziale an „Umweltwärme“ für eine Wärmepumpennutzung, etwa aus der Mur, über Grundwasser, Trinkwasser und Abluft aus dem Plabutschtunnel. Temperaturniveaus und Angebote der Quellen sind aber oft antizyklisch zum Bedarf und neben technischen Herausforderungen, insbesondere hinsichtlich Langzeitspeicherung, gestaltet sich eine wirtschaftliche Umsetzbarkeit schwierig.

Solarenergie

Das theoretische Potenzial der Solarenergie ist sehr groß, die resultierenden Dimensionen bei einer nennenswerten Nutzung sind es allerdings auch. Spürbare Anteile am Wärmebedarf können nur über Großanlagen mit Langzeitspeicherung und Möglichkeit einer „Nachheizung“ gedeckt werden. Dabei stößt man rasch an Grenzen der Flächenverfügbarkeit.

Ohne Speichermöglichkeit bereits vorhanden sind Anlagen bei der Holding Graz und am Areal der Fernwärme-Zentrale Graz mit 7.750 m², im Wasserwerk Andritz und am Stadion Liebenau (in Summe 13.000 m²).
Neben dem bereits angeführten solaren Speicherprojekt „HELIOS“ ist vor allem die Planung einer solaren Großanlage mit Langzeitspeicher („BigSolar“) zu erwähnen. Diese Anlage würde von der Größe her dänische Vorbild-Anlagen um etwa einen Faktor 7 übertreffen.

BigSolar Graz

Eine Machbarkeitsstudie für eine Großsolaranlage in Verbindung mit Langzeitspeichern, Absorptionswärmepumpen und Stützenergie hat bestätigt, dass eine 20%-Deckung des jährlichen FW-Bedarfs durch Solarenergie erreicht werden kann.

  • Kollektorfeld bis zu 450.000 m² mit Saisonalspeicher bis 1.800.000 m³
  • 6 Absorptionswärmepumpen  mit jeweils 16 MW Leistung (96 MW)
  • Solarertrag liegt bei 232 GWh/a bei einer solarthermischen Leistung von max. 250 MW.

Erste Berechnungsergebnisse zeigen, dass ein derartiges Projekt wirtschaftlich machbar ist und im Gesamtsystem die Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern und die Preisstabilität signifikant erhöhen.

Erdgasanlagen als „Brückentechnologie“

Als „Brückentechnologie“ bis zur weitgehenden Dekarbonisierung der Aufbringung sind zentrale Erdgasanlagen in der Winterspitze unverzichtbar. Sinnvoll ist daher der Einsatz neuer bzw. modernisierter Anlagen mit hohem Wirkungsgrad und niedrigen spezifischen (NOx-) Emissionen.
Zu nennen sind dazu die Erneuerung der Container-Heißwasserkessel in der Fernwärme-Zentrale Graz (21 MW), die Adaptierung der WDS (Wärmedirektservice der Energie Graz GmbH)-Heizzentrale Waagner-Biro-Straße (14 MW) und die Errichtung von erdgasgefeuerten Kesselanlagen in der Fernwärme-Zentrale Graz (190 MW).

Zusammenfassung

Ausgelöst durch den möglichen Ausfall der Wärmeversorgung aus den KWK-Anlagen Mellach ab 2020 wurden innovative Lösungsansätze für eine Umstellung des FW-Systems im Großraum Graz entwickelt und teilweise bereits umgesetzt.

Es wurde erkannt, dass neben der forcierten Umsetzung von Energieeffizienzmaßnahmen die Nutzung von Erdgas als „Brückentechnologie“ für die Versorgungssicherheit in der Umstellungsphase erforderlich ist. Das bisherige System weniger Großanlagen wird durch einen Mix zahlreicher Wärmeeinspeiser ersetzt werden, deren Koordination komplexe Steuerungen und umfangreiche Simulationen erfordert.

Der „Fahrplan“ zur Wärmeaufbringung aus erneuerbaren Quellen sieht vor, dass ausgehend von einem Anteil von rund 25% im Jahr 2017 innerhalb der nächsten 10 Jahre realistisch bereits ein Anteil von 50% erreicht werden kann. Noch vor 2050 sollte es – entsprechende Rahmenbedingungen vorausgesetzt – möglich sein, die gesamte Fernwärme mit erneuerbaren Ressourcen zu erzeugen.

Der Prozess dazu – die „städtische Wärmewende“  – hat gerade erst begonnen…

Der „Fahrplan“ zur Wärmeaufbringung aus erneuerbaren Quellen für den Großraum Graz. Datenquelle: Energie Steiermark, Energie Graz. Berechnung: Grazer Energieagentur. *Vision: entsprechende Rahmenbedingungen vorausgesetzt

Weitere Informationen

http://www.umwelt.graz.at/cms/ziel/7301688/DE/

Autoren

DI Dr. Werner Prutsch ist Leiter des Umweltamtes der Stadt Graz. This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

DI Ernst Meißner ist Mitarbeiter der Grazer Energieagentur GmbH. This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

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