Am Limit. Aber sicher. Energiekonzept mit Backup

König

Die Energiewende nimmt Gestalt an, an vielen Stellen gleichzeitig. Das Hotel Sonne-Post im Schwarzwald ist eine solche Stelle, trotz limitiertem Stromnetz-Anschluss und ausgereizter Geothermie. Oder gerade deshalb.

Der Artikel kompakt zusammengefasst
■ Die Wärme für das Hotel Sonne-Post wird zu gut zwei Dritteln aus Geothermie gewonnen, zu einem knappen Drittel übergangsweise aus klassischem Flüssiggas.
■ Die Stromerzeugung durch Photovoltaik auf eigenen Dachflächen wird maximal ausgebaut, kann den Strombedarf aber bei weitem nicht decken. Der bezogene Netzstrom stammt zu 100 % aus erneuerbaren Quellen.
■ Mit fortschreitendem Einfluss von Photovoltaik- und Windkraft-Anlagen auf die Strompreise kann das Leistungsmanagement des Vorzeigeprojekts mit Spotmarktpreisen für den Folgetag den besten Energiemix für das Hotel zusammenstellen.
 

Beste Zutaten, eine hervorragende Zubereitung und geschulte Mitarbeitende sind Voraussetzungen, um ein feines Essen auf den Tisch zu bringen. Ähnlich beim Energiekonzept: Durchdachte Produkte und Konzepte, eine ausgezeichnete Planung und erfahrene Handwerker sind Voraussetzungen für ein nachhaltiges Ergebnis. Das 1872 eröffnete Hotel Sonne-Post im Hochschwarzwald kann mit beidem aufwarten, feinem Essen und nachhaltigem Energiekonzept.

Im Zuge einer Erweiterung und Modernisierung ging es raus aus der Heizölverbrennung, rein in die Geothermie. Damit erfolgt die Wärmeversorgung nach dem ersten Schritt zu 70 % regenerativ, ist aber am Limit. Mehr Geothermie geht auf dem eigenen Grundstück nicht. Die Stromversorgung aus dem Netz ist zu 100 % regenerativ. Doch der Hausanschluss ist begrenzt auf 110 kW, das würde normalerweise nicht ausreichen.

Hotel Sonne-Post

Sicherheit bringen in dieser Situation das automatische Energiemanagement – und ein Blockheizkraftwerk (BHKW) sowie ein Spitzenlastheizkessel, die beide zunächst noch mit Flüssiggas (LPG) betrieben werden, bis Alternativen verfügbar sind. Der Ort dieses Vorzeigeprojekts liegt zwischen Hochschwarzwald und Hochrhein, im äußersten Südwesten Deutschlands. Das Energiekonzept ist aber übertragbar auf andere Regionen, insbesondere auf kleine und mittlere Unternehmen (KMU).

Das Hotel Sonne-Post, geführt in der fünften Generation, ist ein Familienbetrieb mit über 150 Jahren Tradition. Er besteht neben den 25 Hotelzimmern und vier externen Ferienwohnungen aus Restaurant / Küche und Schwimmbad / Sauna. Die abgeschiedene Lage im ländlichen Bergdorf Waldau / Titisee-Neustadt, über die Schwarzwaldhochstraße B500 allerdings leicht zu erreichen, ermöglicht ganzjährig Regeneration, Entspannung und Auszeit in der Natur. Die Klassifizierung „Drei Sterne Superior“ weist auf ein vernünftiges Preis-Leistungs-Verhältnis hin.

Energiemix Wärme

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Beim Umbau mit Erweiterung wurde in den Jahren 2020 und 2021 ein Energiekonzept realisiert, das von außen kaum wahrnehmbar ist und so das idyllische Ambiente nicht beeinträchtigt. Doch im Sinne der Energiewende ist das Zusammenspiel seiner Komponenten ein passgenau für diesen Betrieb gefertigtes Meisterstück. Dennoch ist das Konzept anwendbar für andere Hotels oder für die Wohnungswirtschaft, insbesondere wenn Bestandsgebäude modernisiert und erweitert werden und / oder wenn von fossiler auf regenerative Energie umgestellt wird.

Die Prognose nach Herkunft der Wärme bei einem errechneten Bedarf von 400 000 kWh/a stammt von der Energiedienst AG, einem Anbieter objektspezifischer Lösungen, zugleich Erzeuger von Strom aus Wasserkraft und regionaler Netzbetreiber:

● 68 % Geothermie vom Grundstück des Hotels
● 2 % Wärmerückgewinnung aus Kühlaggregaten der Restaurantküche
● 25 % Blockheizkraftwerk, betrieben mit Flüssiggas
● 5 % Spitzenlastheizkessel, betrieben mit Flüssiggas

Mittelfristig soll das Flüssiggas durch „grünes“ Flüssiggas ersetzt werden, langfristig durch Wasserstoff. Erfahrungswerte im Normalbetrieb liegen noch nicht vor, da seit der Fertigstellung der Energietechnik der Hotelbetrieb aufgrund der Covid-19-Pandemie stark eingeschränkt war.

Die Baukosten der Gesamtmaßnahme beliefen sich auf ca. 3,5 Mio. Euro (ohne MwSt.), die Baukosten der neuen Energieversorgung haben einen Anteil von ca. 600 000 Euro. Rund 180 000 Euro konnten über das Programm zur Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien im Wärmemarkt in Anspruch genommen werden.

Zwei Drittel Geothermie

Hotel Sonne-Post

„Geothermie an diesem Ort ist ein Experiment“, kommentiert Klaus Nerz. Er leitet die Abteilung Wärme- und Energielösungen bei der Energiedienst AG. Thomas Eiche, der mit seiner Frau Yvonne das Hotel seit Ende 2019 in der fünften Generation führt, bevorzugt Erdwärme, trotz der Risiken. Er stammt aus Basel, wo diese Technik seit Jahren erfolgreich eingesetzt wird, und weiß: „Wir haben hier im Hochschwarzwald ein raueres Klima als unten im Rheintal und niedrigere Temperaturen im Untergrund.“

Eine besondere Herausforderung war das Schwimmbad mit 11 × 5,5 m Wasserfläche, das auch im Sommer permanent einen Wärmebedarf hat, anders als sonstige Gebäudeheizungen. Einen Entnahmestopp in der warmen Jahreszeit gibt es also nicht. Das gefährdet die Regeneration im Untergrund, wo die Wärme nur langsam nachströmt, insbesondere bei einem ganzjährigen Entzug.

Deshalb hatte Nerz mit seinem Planungsteam Luft/Wasser-Wärmepumpen favorisiert. Aber die Bauherrschaft wollte deren Geräuschemissionen im Interesse der Hotelgäste vermeiden und entschied sich für das Experiment – und hofft, die Erdwärmesonden ohne Pause und ohne Verlust an Effizienz ganzjährig betreiben zu können. Ein Versorgungsrisiko besteht jedoch nicht, das BHKW kompensiert eventuelle Engpässe bei der Geothermie.

Läuft es nach Plan, werden 68 % der im Hotel benötigten Wärme aus Geothermie stammen. Dazu entnehmen 23 Sonden die Erdwärme aus jeweils 160 m Tiefe. In einem geschlossenen Kreislauf zirkulieren Wasser und zugesetztes Glykol als Frostschutz durch die Erdsonden und den Verdampfer der Wärmepumpe. Die 10 °C „warme“ Sole wird dann nach einer planmäßigen Abkühlung auf 6 °C über die Doppel-U-Sonden wieder in die Tiefe geschickt.

Die Zirkulation ist mit Geschwindigkeit und Volumenstrom so eingestellt, dass sich der Wärmeträger am tiefsten Punkt auf die Quelltemperatur erwärmen kann. Erdreich und Gestein in der Tiefe kühlen dabei ab, die Wärme strömt aus der Umgebung („Gebirge“) aber permanent nach. Damit das dauerhaft und ausreichend funktioniert, muss der Abstand zwischen den Erdsonden groß genug sein. Bei diesem Objekt beträgt er 10 m – in der Hoffnung, dass das für einen Ganzjahresbetrieb ausreicht.

Im Neubau JAZ von 5 bis 6

Eine Sole/Wasser-Wärmepumpe im Technikraum des Neubaus überträgt die Erdwärme auf den Heizkreislauf. Sie wird vorrangig im Schwimmbad, in den Saunen und für die Fußbodenheizung der Hotelzimmer in den drei Geschossen darüber genutzt. Denn dafür reicht eine für geringe Betriebskosten optimale Vorlauftemperatur von 35 °C. Das Maß für deren Effizienz ist die Jahresarbeitszahl (JAZ), die hier rechnerisch und bei Betrachtung der Anwendung im Neubau abhängig vom Nutzungsszenario zwischen 5 und 6 liegt, nur 16 bis 20 % der Heizarbeit müssen als elektrische Energie zugeführt werden.

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Bei einem ökologischen Gesamtkonzept stammt der Strom wie hier aus erneuerbaren Quellen (Solarstrom, Netzstrom aus Wasserkraft) sowie aus hocheffizienter Kraft-Wärme-Kopplung. Doch auch das aktuell sehr hohe Strompreisniveau verlangt schon aus ökonomischen Gründen die konsequente Einsparung bzw. Optimierung des Stromverbrauchs.

Das von Energiedienst realisierte Konzept erstreckt sich auch auf den 30 Jahre alten Bestandsbau. Dort liegt das Temperaturniveau des Heiz- und Warmwassers bei 40 bis 70 °C. Kann die Sole/Wasser-Wärmepumpe über die Versorgung des Neubaus hinaus noch Kapazität zur Verfügung stellen, wird damit die Rücklauftemperatur im Bestandsgebäude bis maximal 50 °C angehoben, damit ihre Leistungszahl nicht zur stark abfällt.

Günstiger für die höheren Temperaturen zur Trinkwassererwärmung und im Winter für die Raumheizung und die Lüftungsanlagen im Bestandsgebäude ist neben dem Spitzenlastheizkessel die Nutzung des Blockheizkraftwerks. Sein Beitrag macht 25 % am jährlichen Wärmebedarf aus. Es wird, wie auch der planmäßig für 5 % der Heizarbeit genutzt Spitzenlastheizkessel, mit Flüssiggas betrieben.

Engpass Elektro-Hausanschluss

Das Flüssiggas (LPG) ist der „Pferdefuß“, solange es noch kein zu 100 % „grünes“ Flüssiggas gibt. Vermutlich ist das aber nur eine Frage der Zeit. Oder zum Ende der Lebensdauer wird das BHKW durch eines ersetzt, das Wasserstoff nutzt. Bis dahin wird an jedem Prozent weniger Wärmeanteil beim BHKW gearbeitet. Er läge bei 27 %, wäre da nicht die Wärmerückgewinnung aus Kühlaggregaten der Restaurantküche, deren Anteil aktuell 2 % beträgt und der vorrangig in die Trinkwassererwärmung eingespeist wird.

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Die BHKW-Komponente stammt noch aus der zurückliegenden dreißigjährigen Epoche. 1991 war das Hotel fast vollständig abgebrannt. Die damals neue Öl-Heizung mit 190 kW wurde ergänzt um ein Öl-BHKW (Dachs) mit 5 kW elektrischer und 12 kW thermischer Leistung. Im Jahresmittel wurden in dieser Kombination etwa 25 000 l Heizöl für einen Wärmebedarf von 160 000 kWh/a benötigt. Der elektrische Energiebedarf betrug in der Vergangenheit 185 000 kWh/a, davon war der vom alten BHKW erzeugte Anteil 35 000 kWh/a.

Zur künftigen Stromversorgung trägt die neue Photovoltaik-Anlage mit 15 kW_p bei. Mehr war auf dem Neubau nicht möglich. Derzeit laufen jedoch die Vorbereitungen zum weiteren Ausbau auf den Dachflächen des Bestandsgebäudes mit zusätzlich 20 kW_p. Die Prognose für den Jahresbedarf des Hotels an Strom liegt bei 300 000 kWh, doppelt so viel als bisher über den vorhandenen Niederspannungsanschluss bezogen wurde. Doch auch künftig wird ein beachtlicher Anteil der elektrischen Energie aus zwei Quellen selbst gewonnen:

● 20 % BHKW
● 6 % Photovoltaik (Ausbaupotential auf bis zu 15 %)
● 74 % grüner Ökostrom aus dem Netz

Die Kapazität des Hausanschlusses ist auf 110 kW begrenzt, mehr gibt das Netz nicht her, ohne dass eine eigene Trafostation gebaut wird. Der Engpass entsteht bereits ab einem Strombedarf von 85 kW bei vollem Restaurant- und Küchenbetrieb, insbesondere wenn gleichzeitig die Wärmepumpe läuft, die Saunen aufgeheizt werden sollen oder an den beiden Ladesäulen Elektrofahrzeuge „auftanken“.

Leistungsmanagement

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Durch die Erweiterung des Gebäudes in den Jahren 2020/21 kamen immerhin 100 kW Anschlussleistung hinzu. Damit wurde, vor allem wegen der begrenzten Kapazität des Hausanschlusses, ein gutes Leistungsmanagement erforderlich – ein Spezialgebiet des Teams für Wärme- und Energielösungen von Klaus Nerz.

Vier Situationen können zu Stress im System führen: Erstens, wenn der Strom knapp wird durch hohen Bedarf im Hotel und damit die Kapazität des Hausanschlusses erschöpft ist. Zweitens, wenn künftig bei zunehmend erneuerbarer Stromerzeugung, vor allem an Tagen ohne Wind und Sonnenschein, die Kapazität im Netz knapp wird. In beiden Fällen überträgt das Leistungsmanagement die Wärmeerzeugung von der WP komplett auf das BHKW. Dabei wird als Nebeneffekt eigener Strom erzeugt, gleichzeitig entfällt die Wärmepumpe als Stromverbraucher.

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Stress entsteht drittens, wenn zu viel Strom im Hotel produziert wird, weil an sehr kalten Tagen das 20-kW_el-BHKW zur Anhebung der Heiztemperatur im Bestandsgebäude auf Hochtouren läuft und nebenbei viel Strom produziert, der als Überschuss bei schlechten Preisen ins Netz eingespeist werden muss. Viertens, wenn an Wochenenden oder in den Ferien Unternehmen weniger Strombedarf haben, also bei gleichzeitig viel Sonne und Wind Strom im Netz „übrig“ ist und die Photovoltaik-Anlage des Hotels maximalen Ertrag liefert. Das Einspeisen führt dann zu negativen Preisen und verursacht zusätzlich zum Verbrauch von Flüssiggas noch Extrakosten.

In den Konstellationen 3 und 4 wird aus wirtschaftlichen Gründen das BHKW automatisch abgestellt und die Wärmepumpe bekommt das Signal, die Wärmeversorgung im Hotel komplett zu übernehmen, inklusive der erforderlichen Vorlauftemperatur von 65 °C im Bestandsbau und unabhängig von der sonst so wichtigen Effizienz. Bei sehr kalten Außentemperaturen hilft der Spitzenlastheizkessel aus.

In allen Fällen regelt das Leistungsmanagement die Balance von ökologischen Ansprüchen und ökonomischen Erfordernissen. Weiter optimiert wird es nun, nachdem die Bauherrschaft entschieden hat, den Strom künftig aus dem Netz von Energiedienst zu Preisen des Spotmarkts zu beziehen. Das heißt, am Vortag bis 12:00 Uhr liegen die Prognosen und damit die Spotmarktpreise für den Folgetag fest. Durch entsprechende Programmierung für das Leistungsmanagement kann das Zusammenspiel der Komponenten zur Wärme- und Stromerzeugung im Hotel darauf abgestimmt werden – mit dem Ziel, die Nachhaltigkeit weiter zu maximieren und gleichzeitig die Energiekosten tagesaktuell zu minimieren.

Das Hotel Sonne-Post ist mit seinem von Messerschmid Energiesysteme, Bonndorf, ausgeführten Energiekonzept eine Referenz für Betriebe, bei denen von fossiler auf regenerative Energie umgestellt wird, ein hoher Anteil von Umweltwärme und Solarstrom gewünscht ist, Bestandsgebäude renoviert oder erweitert werden, ein Anteil Wärme mit hohem Temperaturniveau benötigt wird, Leistungsengpässe beim Elektro-Hausanschluss zu erwarten sind, redundante Lösungen im Fall von Stromengpässen am Markt gewünscht sind und bei Stromüberschuss am Markt Wärmespeicher nützlich sind.

Fachberichte mit ähnlichen Themen bündelt das TGA+E-Dossier Energiemanagement

Dipl.-Ing. Klaus W. König

lebt in Überlingen am Bodensee, ist selbstständig als freier Fachjournalist sowie Buchautor tätig und veröffentlicht regelmäßig Artikel in Umwelt-, Architektur-, GaLaBau- und TGA-Fachzeitschriften. www.klauswkoenig.de

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