Eisspeicher und kalte Nahwärme

Kompakt informieren

• In der Kombination mit Eisspeichern und kalter Nahwärme können Wärmepumpen zukünftig stärker gefragte Eigenschaften noch besser ausspielen. Allerdings gibt es bisher kaum Planungskriterien oder gar Regelwerke.
• Verbundsysteme – gebäudeintern, für eine Liegenschaft oder ein Quartier – bieten gute Möglichkeiten, vorhandene Wärmequellen und -senken zu nutzen. Die Wirtschaftlichkeit muss projektbezogen ermittelt werden.
• Zur Nutzung der Abwärme industrieller Abwässer (für die kalte Nahwärme) hat sich in ersten Anwendungen ein Wärmeübertragersystem bewährt, das durch eine kontinuierliche mechanische Reinigung Fouling auf den Wärmeübertragungsflächen verhindert.

Erneut hat das Test- und Weiterbildungszentrum Wärmepumpen und Kältetechnik (TWK), Karlsruhe, mit dem Symposium „Kalte Nahwärme und Eisspeicher als alternative Wärmequelle für Wärmepumpen“ ein gutes Gespür für kommende Entwicklungen bewiesen. Frank Kaiser, Leiter der Veranstaltung, nannte als Begründung für das Symposium die eher paradoxe Situation bei der Luft/Wasser-Wärmepumpe mit einerseits expansiver Marktentwicklung und andererseits eher schlechten Jahresarbeitszahlen.

Bei der Erschließung von Wärmequellen für Wärmepumpen – sei es über Erdwärmesonden, Grundwasser oder Erdwärmekollektoren – müsse über wirtschaftlichere Alternativen nachgedacht werden. Ungedämmte Eisspeicher im Erdreich könnten so eine Alternative sein, aber auch ungedämmte kalte Nah- bzw. Fernwärmenetze, die gleichzeitig als Wärmequelle und Wärmesenke fungieren. Um das Ergebnis vorwegzunehmen: Die Entwicklung befindet sich noch in einem frühen Stadium. Der Mangel an Planungs-Know-how zog sich wie ein roter Faden durch das Symposium. Wie häufig bei Veranstaltungen mit vielen Pilotprojekten gab es nur wenige belastbare Aussagen über die Wirtschaftlichkeit ausgeführter Anlagen.

E-Mails von halbwissenden Experten

Kaum ein Unternehmen der Kälte-Klima-Branche hat den Eisspeicher als alternative Wärmequelle für Wärmepumpen so populär gemacht, wie der inzwischen mehrheitlich zur Viessmann-Gruppe gehörende Spezialanbieter Isocal, Ludwigsburg. Mit dem Slogan „Heizen mit Eis“ Abb. 1 hat das Unternehmen insbesondere die Medien sensibilisiert. Heiko Lüdemann, seit 2010 Geschäftsführer von Isocal, weist nicht ohne Stolz auf zwölf Fernsehsendungen mit zusammen 120 Sendeminuten sowie 300 redaktionelle Druckseiten in den Printmedien hin.

Lüdemann sieht in der Kombination Eisspeicher mit Wärmepumpe und Luft/Wasser-Kollektor eine Alternative zu Luft/Wasser- bzw. Sole/Wasser-Wärmepumpen mit Erdsonden. Wichtigstes Unterscheidungsmerkmal zu konventionellen Wärmepumpenanlagen sei die verlustfreie Langzeitspeicherung von Wärme auf niedrigem Temperaturniveau. Gegenüber konventionellen Heiz-/Kühlsystemen seien Energiekosteneinsparungen von etwa 50 % im Heizbetrieb und bis zu 99 % im Kühlbetrieb möglich. Vorteil von Isocal-Eisspeichern gegenüber Erdsondenanlagen ist die genehmigungsfreie Realisierung des Eisspeichers, dessen Betonhülle etwa 1 m unterhalb der Erdoberfläche platziert werden sollte. Maß aller Dinge eines Isocal-Systems sei ein intelligentes Wärmequellenmanagement, das die Wärmepumpe mit der jeweils günstigeren Wärmequelle versorgt und – wann immer ein Wärmepotenzial vom Luft/Wasser-Kollektor vorliegt – den Eisansatz im Eisspeicher mit solarer Niedertemperaturwärme abschmilzt. Damit könnten Jahresarbeitszahlen von 4,2 bis 4,6 erzielt werden.

Einziger Nachteil einer Eisspeicheranlage ist laut Lüdemann der gegenüber einer Erdwärmesondenanlage rund 10 % höhere Preis. Isocal entwickelt zurzeit ein kaskadiertes System aus Kunststoff-Eisspeichern, das preisgünstiger und leichter handhabbar sein soll. Limitierender Faktor bei der Markterschließung ist offenbar der unbefriedigende Kenntnisstand von Planern und ausführenden Firmen. Lüdemann: „Sie können sich gar nicht vorstellen, wie viele E-Mails wir von halbwissenden Experten bekommen.“

Kommt die Eisbrei-Wärmepumpe?

Luft/Wasser-Wärmepumpen sind – über das Jahr gesehen – nur bedingt energieeffizient. Vergleichsmessungen des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) an realisierten Anlagen haben für diesen Wärmepumpentyp Jahresarbeitszahlen von nur 2,9 ergeben. Der Einsatz von Eisspeichern als „Wärmequelle“ könne die Jahresarbeitszahl einer ­Wärmepumpe bedeutend verbessern, sagt Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld von der Hochschule Karlsruhe: „Der Vorteil von Eis als Energiespeicher ist die hohe latente Speicherdichte von bis zu 84 kWh/m³ bezogen auf 100 % Eis. Dagegen kann Wasser bei einer ­angenommenen Temperaturdifferenz von 6 K nur 7 kWh/m³ speichern. Der Vorteil von Eisbrei gegenüber Festeisspeichern ist der Wegfall des Zwischenkreises und damit ein günstigerer Temperaturgradient auf der Verdampferseite; Eisbrei ist pumpbar und somit direkt abtau- und nutzbar.“

Warum eine Eisbrei-Wärmepumpenheizung energetisch günstiger als eine Luft/Wasser-Wärmepumpe ist, erklärt Kauffeld so: Eisbrei wird bei einer Verdampfungstemperatur von –5 °C erzeugt. Dies entspricht einer Umgebungstemperatur von ca. +5 °C bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe. Bei einer angenommenen Niedertemperaturheizung beträgt die Verflüssigungstemperatur 40 °C. Daraus errechnet sich eine Leistungszahl (COP) von 3,47 für die Eisbrei-Wärmepumpe.

Weitere Vorteile von Eisbrei sind – so ­Kauffeld – die hohe Energiedichte, der doppelt so hohe Wärmeübergang im Vergleich zu ­Wasser, die Möglichkeit der Direktkühlung ­sowie die um den Faktor 8 reduzierte Pumpenleistung gegenüber flüssigen, einphasigen ­Kälteträgern. Außerdem lasse sich durch Addi­tive wie Alkohol, Glykol oder Salz die Tempe­ratur des Eisbreis weit unter 0 °C absenken. ­Dadurch könnten zusätzliche Marktnischen ­erschlossen werden.

Spätestens bei der Vorstellung der Eisbrei-Erzeugungsverfahren wurde klar, dass es sich um ein eher komplexes Kühlverfahren handelt. Kauffeld unterscheidet zwischen Erzeugungsverfahren mit „schabenden Elementen“, das sind Kratzverdampfer, Schleuderstäbe und rotierende Bürsten, und Direktkontakt-Verfahren mit unmischbaren bzw. mischbaren Kältemitteln bzw. unmischbaren Kälteträgern. Die Leistung der kleinsten verfügbaren Eisbreianlagen liege derzeit bei 6 bis 8 kW, die großen Anlagen leisten 4 bis 5 MW. Trotz der eher exotisch wirkenden Erzeugungsverfahren sieht Kauffeld die Rolle von Eisbrei positiv. Sein Resümee: „Die Eisbrei-Wärmepumpe ist energetisch und wirtschaftlich interessant.“

Verbundsysteme statt mehr Dämmung

TGA-Konzepte mit Energiespeichern und innovativem Verbund von Wärmequellen und Wärmesenken sind aus Sicht von Fritz Nüßle, Zent-Frenger, Leonberg, die intelligente Antwort auf die Forderung nach immer höheren Dämmstandards bei Gebäuden. Nüßle plädiert dafür, solche Ersatzmaßnahmen nach dem Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) häufiger wahrzunehmen. Insbesondere bei gewerblichen und industriellen Gebäuden biete sich eine an der Primärenergieeffizienz ausgerichtete Anlagenplanung an. Dabei spiele künftig „erneuerbare Kälte“ eine wichtige Rolle, weil der Bedarf an Kälte weiter zunehme.

Am Beispiel des TWK-Neubaus in Stutensee bei Karlsruhe, erläuterte Nüßle, wie sich das Gebäude durch einen ganzheitlichen Planungsprozess nachhaltig und wirtschaftlich temperieren lässt. Wichtig sei, den Wärme- und Kühlbedarf des Gebäudes durch passive Maßnahmen – so weit wie möglich und wirtschaftlich sinnvoll – zu senken. Zum Heizen und Kühlen empfiehlt Nüßle Flächensysteme sowie die Einbeziehung gebäudeeigener Speichermassen. Weiter gelte es, betriebsbedingte Abwärmequellen und Abwärmesenken zu identifizieren sowie Speicherkapazitäten zur Pufferung temporärer Wärmeüberschüsse zu definieren.

Vorrangig sollten erneuerbare Energiequellen auf dem Grundstück unter Einsatz von Wärmepumpen genutzt werden. Wichtig sei die Abstimmung zwischen Energiequelle, -aufbereitung, -verteilung und -übergabe sowie ein Energiemonitoring zur Anlagenoptimierung. Bei Geothermieanlagen empfiehlt Nüßle, dem Quellenverbund mehr Beachtung zu schenken. Insbesondere bei Erdwärmesonden müsse die Peak-Festigkeit, sprich die Spitzenbelastung der Erdwärmesonden, stärker berücksichtigt werden. Ansonsten könne es zu Schäden im Verpressmate­rial kommen. Eisspeicher seien dagegen peakfest, hätten aber eine eingeschränkte Kapazität.

Für den TWK-Neubau schlägt Nüßle deshalb ein Verbundsystem mit Erdwärmesonden, Eisspeicher und eingekoppelter Abwärme aus den Prüfständen vor Abb. 2. Im Hinblick auf den Demonstrationscharakter des Gebäudes und das TWK-Schulungs- und Ausbildungskonzept sieht Nüßle einen Luft/Wasser-Kaltwassersatz sowie eine Sole/Wasser-Wärmepumpe für die Grundversorgung vor. Optional könnten auch Luft/Wasser-Wärmepumpen verschiedener Hersteller in das Verbundkonzept integriert werden.

Der Eisspeicher – geplante Größe 175 m³ mit 20 MWh Kapazität – ist primär für die Rück­kühlung der Prüfstände dimensioniert. Wichtig sei ein auf die Anforderungen des TWK-Gebäudes abgestimmtes Latentspeicher-Management, das die Belange der Raumtemperierung (Heizen, Kühlen) mit den Anforderungen der Prüfstände verknüpft. Nüßle rechnet vor, dass eine solche Kälte-Wärme-Verbundanlage gegenüber autarken Anlagen für Heizung und Kühlung bei den Energiekosten um rund 50 % günstiger liegt.

Eisspeicher-Klassiker mit Potenzial

Fafco-Eisspeicher auf der Basis von Stahl- oder Betonbehältern zählen am Markt zu den Klassikern, rund 1200 Stück werden weltweit eingesetzt. Die typische Anwendung liegt darin, mit preisgünstigem Nachtstrom oder tarifgünstigem Tagstrom Eis auf Vorrat zu produzieren, um Hochtarifzeiten zu überbrücken, den Kältebedarf bei Spitzenabnahme zu decken, die Kältekapazität ohne zusätzliche Kältemaschinen zu erhöhen oder Notkälte für EDV-Anlagen zur Verfügung zu stellen.

Klaus Schulz, Fafco AG, Biel, Schweiz, mit der eher seltenen Berufsqualifikation Kälteanlagenbauer und Stromhändler, gab einen Abriss über die weniger bekannten, aber künftig wichtiger werdenden Einsatzmöglichkeiten dieser Eisspeicherbauart. So wird in Götzis in Vorarlberg derzeit eine Anlage für einen Produktionsbetrieb realisiert, bei der der Eisspeicher im Verbund mit einer Wärmepumpe saisonal als Kälte- und Wärmespeicher eingesetzt wird. Im Green Therm Cool Center, Freiburg im Breisgau, wird der Eisspeicher über eine Absorptionskältemaschine beladen, die über die Abwärme eines BHKW angetrieben wird. Eine ähnliche Anlage befindet sich bei Siemens in Erlangen.

Bei der aktuellen Diskussion um die Bereitstellung von Regelenergie zur Stabilisierung des Stromnetzes über Smart-Grid-Funktionen verfüge Fafco bereits über umfangreiche Erfahrungen in Frankreich, erläutert Schulz. Dort übernehmen Eisspeicher seit Jahren über ein mehrstufiges Tarifkonzept sowie durch Sondervereinbarungen mit dem Energieversorger über flexible Abschaltzeiten von Kältemaschinen Funktionen zur Netzstabilisierung. In Ländern mit schwach ausgebautem Stromnetz werden Fafco-Eisspeicher zur Reduzierung der Netzanschlussleistung, zur Spitzenlastoptimierung sowie zur Notkälteversorgung eingesetzt.

Die künftigen Aussichten für Eisspeicher sieht Schulz recht positiv. So könne bei Gebäuden mit Kühlbedarf die Eigenstromnutzung von Photovoltaik-Anlagen mithilfe von Eisspeichern erhöht werden. Auch die Jahresbetriebszeit eines BHKWs kann durch den Verbund mit Absorptionskältemaschine und Eisspeicher verlängert und damit deren Wirtschaftlichkeit verbessert werden. Eine der künftig wichtigsten Eisspeicher-Anwendungen sieht der ehemalige Stromhändler in der Bereitstellung von Regelenergie durch Smart-Grid-geführte Wärmepumpen und Kältemaschinen.

Eisspeicher erhöht Tiefkühlanlagen-COP

Eine eher unkonventionelle Lösung ist der Einsatz eines Eisspeichers bei einem Fruchtlogistik-Projekt. Das von Hoval unter dem Begriff Ecoline entwickelte ganzheitliche System aus Kälteerzeugung (Normalkühlung, Tiefkühlung), Wärmepumpe, Eisspeicher und Büroklimatisierung soll hier die elektrische Anschlussleistung gegenüber getrennt arbeitenden Kälte-/Klima-/Heizsystemen um 60 % reduzieren sowie rund 65 % an Energiekosten einsparen.

Thomas Glasbrenner, Hoval, Aschheim bei München, erklärt die hohe Energieeinsparung mit einer konsequenten Senkung der Verflüssigungstemperatur bei der Normalkühlung und im Tiefkühlkreislauf. Je K Verflüssigungstemperaturabsenkung könne die Energy Efficiency Ratio (EER) eines Kältekreises um 2 bis 3 % gesteigert werden. Die Einsparungen resultieren einerseits aus der Kaskadierung von Normalkälteanlage und Tiefkühlanlage, andererseits aus der Einbindung eines Eisspeichers in die umschaltbare Wärmepumpe für die Klimatisierung. Wann immer saisonal möglich, fungiert der über die Wärmepumpe aufgeladene Eisspeicher als „künstliche“ Temperatursenke für die Rückkühlung der Kälteerzeugung.

Ein weiterer Vorteil: Durch die genaue Dimensionierung der Kälteaggregate und die günstigeren Drücke in Verdampfern und Verflüssigern können die Verdichter um rund 60 % kleiner ausgelegt werden, so Glasbrenner.

Mondscheinenergie zur Regeneration

Ein weiteres Ergebnis der Tagung vorab: Halbwissen über Eisspeicher und deren Dimensionierung, Systemeinbindung und Wirtschaftlichkeit prägt derzeit noch die Branche. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg, hat deshalb unter der Federführung von Marek Miara ein Verfahren zur Vermessung einer Isocal-Eisspeicheranlage für ein Einfamilienhaus entwickelt und an einem konkreten Projekt getestet. Die Eckdaten:

• beheizte Wohnfläche: 155 m²
• Anzahl der Bewohner: 2
• Wärmepumpe: 5,9 kW
• Eisspeicher: 10 m³
• unverglaster Solarabsorber (keine Größenangabe)

Zur Erfassung der Energieströme wurden sieben Wärmemengenzähler in der Anlage sowie eine Lanze mit sieben Temperaturfühlern im Eisspeicher installiert. Erfasst wurden die Temperaturverläufe an den sieben Messstellen des Eisspeichers, die Beladungsenergie zum Eisspeicher und der Wärmestrom vom Eisspeicher zur Wärmepumpe. Gemessen wurden außerdem die Energieflüsse vom Solarabsorber zum Eisspeicher sowie vom Solarabsorber direkt zur Wärmepumpe.

Dabei zeigte sich, dass der Eisspeicher auch nachts bei 5 °C Außentemperatur mit, Zitat Miara, „Mondscheinenergie“ regeneriert werden kann, das heißt, das im Tagesverlauf über den Heizbetrieb der Wärmepumpe aufgebaute Eis kann auf sehr niedrigem Temperaturniveau geschmolzen und damit der Eisspeicher regeneriert werden. An anderer Stelle wurde erwähnt, dass die auf dem Dach montierten Solarabsorber aus Ovalrohr bei Wind bessere Leistungswerte aufweisen als solche aus Rundrohr.

Miara räumt ein, dass das vorgestellte Messverfahren stark von der Fragestellung des Auftraggebers abhängig ist; das beschriebene Verfahren ermögliche jedoch eine sehr detaillierte Auswertung der Energieströme. Das Ergebnis nach fünf Monaten (vom 1. November 2012 bis 1. März 2013): Rund ein Drittel der Umweltenergie kommt direkt vom Solarabsorber, zwei Drittel vom Eisspeicher Abb. 3. Die Arbeitszahl der Wärmepumpe bei reiner Betrachtung des Heizkreises liegt bei 3,8 und bei Betrachtung von Heizkreis und Trinkwassererwärmung bei 3,2.

Ob sich eine solche Anlage für ein Einfamilienhaus überhaupt lohne oder ob nicht eine Erdwärmesondenanlage die wirtschaftlichere Lösung sei, war eine Frage aus dem Auditorium. Erdwärmesondenanlagen seien etwas günstiger, erklärt Miara, jedoch könne man von weitgehend gleichen Investitionen ausgehen. Ein Isocal-Eisspeicher sei jedoch eine ernsthafte Alternative zur Erdwärmesonde, insbesondere wegen der einfachen und gesicherten Regeneration des Speichers über einen Solarabsorber.

Kalte Nahwärme zum Heizen und Kühlen

Den Einsatz von Eisspeichern und Erdwärmesonden sowie deren Regeneration über einfache Solarabsorber sieht auch Markus Patschke, 3E-Consult, Nordkirchen, als wichtigsten Schritt zur Verbesserung der Energieeffizienz von Wärmepumpenanlagen. Allerdings favorisiert Patschke eine Verbundlösung mit kalter Nahwärme. Seine Vision: Ein lokales Niedertemperatur-Wärmenetz mit einem zentralen Niedertemperaturspeicher, das gleichzeitig als Wärmequelle und als Wärmesenke dient Abb. 4.

Dezentrale Wärmepumpensysteme, aber auch gewerbliche Kälteanlagen oder BHKW, würden dieses Wärmenetz gleichermaßen zur Wärmeentnahme über Wärmepumpen oder zur Wärmeabgabe aus Kälteprozessen oder dezentraler Stromerzeugung nutzen. Preisgünstige, dezentral angeordnete Solarabsorber könnten zusätzliche Regenerationsenergie in das Netz einspeisen oder ihr Wärmeangebot vor Ort direkt der Wärmepumpe zuführen. Auch Prozess- und Kanalabwärme oder Wärme aus Grubenabwasser könnten solchen Systemen zugeführt werden. Denkbar wäre auch, Regenrückhaltebecken so zu modifizieren, dass sie als Niedertemperaturspeicher nutzbar sind.

Patschke schlägt ein kommunales Quartierkonzept vor, das alle Abwärmequellen über ein Niedertemperatur-Rohrsystem erfasst. Die Bewirtschaftung solcher Netze sei vergleichsweise einfach, da keine Anforderungen an das Temperaturniveau oder eine bestimmte Temperaturhaltung bestünden. Die dezentral angeordneten, im Tichelmann-System eingebundenen Wärmepumpen würden die benötigte Wassermenge dem Netz selbst entnehmen, das heißt, auf eine zentrale Umwälzpumpe könnte in den meisten Fällen verzichtet werden. Wirtschaftlich interessant scheint das Konzept dann, wenn mehr Niedertemperaturwärme eingespeist als entnommen wird. Bei voraussichtlichen Temperaturen von etwa 20 °C in kalten Nahwärmenetzen ließen sich weit höhere Wärmepumpen-Leistungszahlen erreichen als mit Erdwärmesonden, so Patschke.

Molche sichern hohen COP

Industrielle Abwärme aus Abwässern gibt es genug. Oft muss diese mit hohem Aufwand „entsorgt“ werden. Das Problem der unmittelbaren Nutzung liegt meist darin, dass konventionelle Wärmeübertrager(flächen) innerhalb weniger Tage verschmutzen (Fouling) und damit der Wärmeübergang drastisch zurückgeht. Zahl­reiche Versuche zur Nutzung belasteter Abwässer mithilfe von Wärmepumpen sind schon am Fouling der Wärmeübertrager gescheitert. Auch bei den in der Molkereitechnik üblichen Rohr-in-Rohr-Systemen zur Wärmerückgewinnung geht die Übertragungsleistung innerhalb einer Woche um fast 50 % zurück. Gewöhnlich werden solche Wärmeübertrager regelmäßig chemisch oder mechanisch gereinigt – eine teure Angelegenheit.

Speziell für verunreinigte Abwässer hat das Unternehmen Jaske & Wolf, Lingen, das Wärmeübertragersystem Dupur entwickelt, das durch eine kontinuierliche mechanische Reinigung das Fouling an der Rohrwand dauerhaft verhindert Abb. 5. Dabei reinigen spezielle Molche in regelmäßigen Abständen automatisch die Leitungen von Ablagerungen.

Am Beispiel des Projektes „Kalte Fernwärme Aurich“ erklärt Wolfgang Jaske die Vorteile von Molchen. In Aurich wird 30 °C warmes Abwasser eines Molkereibetriebs zur Beheizung einer Sporthalle genutzt. Dazu wird ungereinigtes Abwasser über eine 1,5 km lange kalte Fernwärmeleitung zur Sportarena gepumpt, dort nach einem Grobabscheider dem Dupur-Wärmeübertrager zugeführt und weiter über ein Sekundärnetz zu den Wärmepumpen geleitet. Auf der Primärseite steht Warmwasser mit 23/12 °C zur Verfügung, auf der Sekundärseite 14 °C warmes Wasser für die Wärmepumpen, das auf 6 °C abgekühlt wird. Geplant ist, auch das naheliegende Allwetterbad mit einer Wärmepumpe von 400 kW Nennheizleistung in das kalte Fernwärmenetz einzubinden. Das durch die Wärmepumpe abgekühlte Abwasser fließt weiter zur Kläranlage, wo die Restwärme zur Klärschlammtrocknung eingesetzt werden soll. Insgesamt liefert die Molkerei bis zu 1,5 MW Wärme mit Temperaturen am Nutzungsort zwischen 12 bis 25 °C.

Die Dupur-Wärmerückgewinnungsanlage arbeitet nach Aussage von Jaske seit Inbetriebnahme im Juni 2010 störungsfrei. Die Übertragungsleistung sei mit 3000 W/(m² K) dank der Reinigungsmolche sehr hoch. Dies habe einen direkten Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe. Weitere Anwendungsfelder für die Nutzung belasteter Industrieabwässer als Wärmequelle für Wärmepumpen sieht Jaske in der gesamten Lebensmittel- und Getränkeindustrie, bei Schwimmbädern, in der Kosmetik­industrie, bei Lackier- und Galvanikanlagen, Kläranlagen, Teilereinungungsanlagen und Großspülmaschinen.

Agrarflächen doppelt nutzen

Was sonst noch eher auf dem Papier existiert, wird in der Bausparkassengemeinde Wüstenrot bereits in die Praxis umgesetzt. Etwa 30 Plus­energiegebäude werden dort über ein kaltes Fernwärmenetz mittels Erdwärme aus Agrothermiekollektoren über Wärmepumpen beheizt Abb. 6. Dr. Dirk Pietruschka von der Hochschule für Technik Stuttgart, räumt ein, dass bisher so gut wie keine praktischen Erfahrungen mit Anlagen dieser Größenordnung vorliegen. Die Auslegung des kalten Nahwärmesystems erfolgte deshalb sowohl nach dem Wärmebedarf (Qh_ges = 450 MWh/a, Wärmeentzug 45 kWh/(m² a) und nach der Entzugsleistung (250 kW Gesamtleistungsbedarf, 20 bis 30 W/m² Entzugsleistung). Im ersten Fall ist eine Agrothermiefläche von 10000 m² (1 ha) erforderlich, im zweiten Fall eine Fläche zwischen 8500 und 12500 m²; ausgewiesen wurde deshalb eine 1,5 ha große Ackerfläche.

Die Besonderheit des mit einem Wasser/Glykol-Gemisch gefüllten Nahwärmenetzes liegt darin, dass die Agrothermiekollektoren (DN 40) ca. 2 m tief in siedlungsnahe Acker- und Wiesenstücke eingepflügt sind und damit die landwirtschaftlichen Flächen voll nutzbar bleiben.

Um den Pumpenstromverbrauch zu minimieren, wird das kalte Nahwärmenetz (DN 250) pumpenlos betrieben, jede Wärmepumpe holt sich die notwendige Wassermenge über den Hausanschluss (DN 40) aus dem Netz. Zur Verbesserung der Energieeffizienz sollen künftig auch die Abwärme eines Supermarktes sowie die Abwärme von Produktionsprozessen in das Netz eingespeist werden. Probleme bereitet die Abrechnung der Wärmeströme je Gebäude, da derzeit keine geeichten Wärmemengenzähler für Wasser/Glykol-Gemische verfügbar sind. Pietruschka räumt ein, dass ein kaltes Nahwärmenetz dieser Art noch relativ teuer ist. Dennoch sei die Resonanz auf das Projekt (KfW-Effizienzhaus 55) bei Bauwilligen sehr groß.

Die Attraktivität der Plusenergiehäuser mag auch damit zusammenhängen, dass ein Teil der Gebäude mit Photovoltaik-Anlagen und Stromspeichern ausgerüstet ist. Zudem sind alle Wärmepumpen mit Warmwasserspeichern gepuffert. Ziel sei ein stromnetzgeführtes Lastmanagement über ein virtuelles Kraftwerk einzurichten, bei dem die Eigenstromnutzung aus den PV-Anlagen im Vordergrund steht, erklärt Pietruschka.

Zentrale Grundwassererschließung?

Macht es weiterhin Sinn, dass in Neubausiedlungen jeder Bauherr seine eigenen Erdwärmesonden abteuft? Kommt es mangels notwendiger Mindestabstände in Siedlungsgebieten langfristig zu thermischen Beeinträchtigungen im Erdreich? Ist die Wärmequelle Grundwasser wegen der höheren Wärmequellentemperatur die effizientere Lösung? Lohnt sich eine eigene Grundwassererschließung für ein Einfamilienhaus?

Die Fragestellung über das Für und Wider erdgekoppelter Wärmepumpen lässt sich beliebig erweitern. Fakt ist, dass eine Wärmepumpe mit Erdwärmesonde bei einer Wärmequellentemperatur von 0 °C im besten Fall auf eine Leistungszahl von 4,4 kommt. Grundwasser steht dagegen weitgehend mit 10 °C zur Verfügung, das ergibt auch bei Außentemperaturen um den Gefrierpunkt eine Leistungszahl von nahezu 6,2.

Für die Energiedienst AG, Rheinfelden, ein Tochterunternehmen der EnBW, war dieser Unterschied Grund genug, ein Pilotprojekt mit kalter Nahwärme auf der Basis von Grundwasser zu initiieren. Das Projekt in March-Hugstetten bei Freiburg im Breisgau umfasst 40 Gebäude mit über 150 Wohneinheiten, die künftig über ein grundwassergespeistes kaltes Nahwärmenetz mit Wasser/Wasser-Wärmepumpen beheizt werden sollen Abb. 7.

Jörg Bleile von der Energiedienst AG sieht in der zentralen Grundwassernutzung die bessere Lösung für die Wärmepumpe. Wegen der hohen Kosten – etwa 10000 Euro für Förder- und Schluckbrunnen sowie das oft aufwendige wasserrechtliche Genehmigungsprozedere – sei im Einfamilienhausbereich eine Wirtschaftlichkeit kaum zu erreichen. Beim Pilotprojekt March-Hugstetten entschied man sich für eine Lösung mit sieben Entnahmebrunnen und zwölf Schluckbrunnen, die über ein kaltes Nahwärmenetz miteinander verbunden sind. Im Nachhinein hat sich aber auch dieses Konzept als zu aufwendig und damit zu teuer erwiesen.

Bleile empfiehlt, möglichst nur einen Entnahme- und nur einen Schluckbrunnen zu verwenden. Da es sich bei diesem Projekt um eine „Aufsiedlung“ mit anfänglich nur wenigen Gebäuden handelt, war der Wärmepumpenbetrieb in den einzelnen Häusern in der Startphase wenig effizient. Insbesondere bei den Reihenhauszeilen musste wegen fehlender Anschlusshäuser (ungedämmte Außenwände) die Vorlauftemperatur der Wärmepumpen signifikant angehoben werden, um die Heizlast zu decken.

Auch sonst glänzt das Projekt durch gut dargestellte Fehler, was für die Tugend des Referenten spricht. In vielen Fällen zeigten sich im Betrieb eklatante Mängel in der Hydraulik. Bleile: „Bei 80 % aller Anlagen war die Volumenstromeinstellung der Hausanschlussleitung falsch.“ Ein anderes Problem sei der Hang von Planern und Anlagenbauern zur Überdimensionierung von Wärmepumpen sowie der hohe Anteil an Antriebsenergie. Hier müssten Wärmepumpenhersteller und Anlagenbauer künftig besser kooperieren und gemeinsam ein Inbetriebnahme-Protokoll erstellen. Um die Pro­bleme in den Griff zu bekommen, sei bei Anlagen dieser Größenordnung auch ein Energiemonitoring notwendig.

Überzeugend ist jedoch der Betriebskostenvergleich von Bleile mit Heizöl- und Erdgas-Heizungen: Hier sei die Wasser/Wasser-Wärmepumpe – bezogen auf eine Nutzwärmemenge von 16000 kWh – mit 5,62 ct/kWh die wirtschaftlichste Lösung (Erdgas 7,81 ct/kWh, Heizöl 10,16 ct/kWh). Insgesamt beurteilt Bleile die kalte Fernwärme als effiziente, ressourcenschonende und emissionsvermeidende Wärmeversorgungstechnik. Voraussetzung sei jedoch, dass verbindliche Vorgaben über die Dimensionierung der Wärmepumpe gemacht werden und die Hersteller in das Projekt mit einbezogen werden.

Fazit

Die kalte Nah- und Fernwärme befindet sich noch im Pilotstadium. Die bisherigen Ergebnisse sind nicht ausreichend, um daraus Planungs-Know-how abzuleiten. Auch für die ­Dimensionierung von Eisspeichern fehlen klare Planungsvorgaben. Erstaunlich ist, dass Wärmepumpen selbst bei professionell be­treuten Pilotprojekten, wie beim EnBWProjekt in March-Hugstetten, überdimensioniert werden. Die Verantwortlichen des Wüstenrot-Projektes (Agrothermie) haben angekündigt, auf der Basis der jetzt vorliegenden Erkenntnisse einen Planungsleitfaden zu entwickeln und weiter über das Projekt zu ­berichten.

Am Rande des Symposiums war zu hören, dass die Kosten für Erdwärmesondenanlagen wegen der strengeren behördlichen Auflagen in Zukunft steigen werden. Davon könnten die kalte Fernwärme und Eisspeicher mit der Regenerationsoption Solarabsorber profitieren. Unklar ist, welche Kosten die Nutzer von kalter Fernwärmeenergie an den Netzbetreiber bezahlen müssen, ja wie Geschäftsmodelle mit kalter Fernwärme und Abwärme überhaupt funktionieren. •

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TGA-Planer: Es zieht sich leider seit einigen Jahren durch die Berichterstattung: Viele Wärmepumpenprojekte verfehlen ihre Ziele, weil sie zu sorglos geplant und mit Zuschlägen dimensioniert werden. Das bremst auch die Marktentwicklung, denn Wärmepumpen stehen stärker im Fokus der Verbrauchermedien als andere Wärmeerzeuger.

Anlagenbauer: Die Energieeinsparpotenziale von Wärmepumpenkonzepten lassen sich nur mit einer durchdachten Planung, einer geeigneten Hydraulik und genauer Auslegung der Systemkomponenten erschließen. Dynamische Bedingungen müssen bei der Energiebilanzierung berücksichtigt werden.

Versorger: Bei der kalten Nah- und Fernwärme sind genaue technische Vorgaben für Planer, Hersteller, Anlagenbauer und Betreiber über den Anschlusspunkt hinaus erforderlich. Bei Verbundsystemen mit Wasser/Glykol-Gemisch als Wärmeträger ist die Abrechnung der Wärmeströme problematisch .

ist freier Fachjournalist für Technische Gebäudeausrüstung, München, wsm@tele2.de