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Beim Projekt „Smartes Quartier Karlsruhe-Durlach“ wird die Energieversorgung von fünf energetisch teilmodernisierten Mehrfamilienhäuser mit insgesamt 175 Wohnungen durch die Kombination bewährter Technologien mit dem Ziel erneuert, die bisherigen CO2-Emissionen zu halbieren.
Auf allen Dächern werden dafür PV-Anlagen errichtet. Drei Gebäude erhalten einen BHKW-Nahwärmeverbund. Zwei Gebäude erhalten spezielle Wärmepumpenanlagen: Eine Mehrquellen-Großwärmepumpe (Außenluft, Erdwärmesonden) und eine Wärmepumpe mit photovoltaischthermischen Kollektoren als alleinige Wärmequelle.
Alle technischen Anlagen werden so vernetzt, dass die Wärmepumpen bevorzugt mit PV- oder BHKW-Strom betrieben werden, um den Bezug aus dem öffentlichen Stromnetz zu minimieren. Gleichzeitig wird der BHKW-Betrieb dahingehend optimiert, dass möglichst viel Strom lokal genutzt wird.
In dem vom Bundeswirtschaftsministerium (BMWi) geförderten Projekt „Smartes Quartier Karlsruhe-Durlach“ bauen die Volkswohnung GmbH und die Stadtwerke Karlsruhe eine dezentrale und solare Energieversorgung für den Gebäudekomplex in Karlsruhe-Durlach auf. Das Vorhaben wird durch das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) und das Institut für Nachhaltige Technische Systeme Inatech der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg in der Konzeptentwicklung unterstützt und im Betrieb wissenschaftlich begleitet.
Aktuell werden die fünf Mehrfamilienhäuser (175 Wohnungen, 1963 errichtet und 1995 energetisch teilmodernisiert, beheizte Grundfläche von 11 600 m2, Strombedarf ca. 350 MWh/a, Wärmebedarf ca. 1200 MWh/a) durch Erdgas-Heizkessel und Strom aus dem Netz versorgt.
Kombination von Wärmepumpen mit Photovoltaik und Blockheizkraftwerk
Das für die energetische Sanierung entwickelte Energiekonzept setzt auf die Kombination bewährter Technologien. So werden
auf den Dächern aller Gebäude Photovoltaik-Anlagen installiert. Drei der Gebäude sind mit einer Nahwärmeleitung verbunden,
in die zwei Erdgas-BHKW-Aggregate Wärme einspeisen (1). Eine wesentliche Voraussetzung für die Umsetzung des Konzepts ist der Quartiersansatz, also die Vernetzung mehrerer Gebäude sowohl durch Austausch von Energie als auch einer übergreifenden Betriebsführung und Regelung.
Zwei Gebäude werden durch dezentrale Wärmepumpenanlagen versorgt: Eine Mehrquellen-Großwärmepumpe (Außenluft, Erdwärmesonden), die im Forschungsvorhaben „LowEx im Bestand-Heaven“ entwickelt wird, sowie eine Wärmepumpenanlage mit photovoltaisch-thermischen Kollektoren als Wärmequelle.
Bislang kommen Wärmepumpen in Bestands-Mehrfamilienhäusern nur selten zum Einsatz: Die Integration in bestehende Mehrfamilienhäuser ist technisch anspruchsvoll, was Temperaturniveau, die Verfügbarkeit von Wärmequellen und die Versorgung mit erneuerbarem Strom angeht.
Stefan Storz, Geschäftsführer der Volkswohnung GmbH: „Die Kombination von Wärmepumpen mit Photovoltaik und einem Blockheizkraftwerk, zusammen mit Wärmespeichern, hat sowohl energetisch als auch ökonomisch großes Potenzial. Für Wohnungsgesellschaften ist bei optimaler Auslegung ein wirtschaftlicher Betrieb im Rahmen eines Contracting-Modells möglich.
CO2-Emissionen minimieren, Wirtschaftlichkeit optimieren
Für die Konzepterstellung des Energiesystems wurde das Quartier mit allen Erzeugern und Verbrauchern vom Fraunhofer ISE simuliert und das Versorgungskonzept so optimiert, dass die CO2-Emissionen durch den Verbrauch von Erdgas und Netzstrom minimiert und gleichzeitig die für die Mieter erforderliche Wirtschaftlichkeit erzielt wird.
Dies wird unter anderem durch ein intelligentes Energiemanagement erreicht, welches die Wärmepumpen und den BHKW-Betrieb so steuert, dass die Wärmepumpen bevorzugt mit selbst erzeugtem PV- oder BHKW-Strom betrieben werden können. Zur Betriebsoptimierung werden neuartige Fehlererkennungsalgorithmen entwickelt und erprobt, die auf Verfahren der künstlichen Intelligenz basieren.
Dr. Manuel Lämmle vom Fraunhofer ISE: „Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die intelligente Integration aller drei Technologien eine CO2-Einsparung von über 50 % und zugleich eine hohe Wirtschaftlichkeit für den Betreiber erwarten lassen.“
Monitoring sichert optimalen Betrieb und Übertragbarkeit auf Folgeprojekte
Das Institut Inatech der Uni Freiburg und das Fraunhofer ISE installieren im Rahmen des Projekts ein Monitoring-System und werten
die erhobenen Messdaten über drei Betriebsjahre hinweg aus. Dies soll zum einen wissenschaftliche Fragestellungen zur energetischen Performance des innovativen Energiekonzepts beantworten. Zur Überprüfung des Energiekonzeptes werden Vorher/Nachher- sowie Soll/Ist-Vergleiche und Energiebilanzen erstellt.
Zum anderen soll nach der Monitoring-Phase ein optimiertes Regelungskonzept verfügbar sein, das durch den Betreiber weitergeführt werden kann.
Dr. Stefan Hess, Forschungsgruppenleiter am Inatech: „Die genaue Messung und Dokumentation der Einsparungen, die durch das neue Energiekonzept erzielt werden, soll möglichst viele weitere Unternehmen der Wohnungswirtschaft bei der Entscheidung dafür unterstützen, ebenfalls in ambitionierte, klimafreundliche Versorgungskonzepte zu investieren.“
In Deutschland beträgt laut BMWi der gebäudebezogene Energieverbrauch rund 35 % des gesamten Endenergiebedarfs. Dabei befinden sich 54 % aller Wohnungen und 41 % der gesamten Wohnfläche in Mehrfamilienhäusern. Diese werden überwiegend mit Erdgas beheizt. Der Gebäudesektor und das Energiekonzept des Smarten Quartiers Karlsruhe-Durlach haben damit ein großes Potenzial zur Reduk-
tion von CO2-Emissionen.
Das Demonstrations-Projekt gehört zum thematischen Projekt-Verbund „LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von sanierten Mehrfamilien-Bestandsgebäuden (LowEx im Bestand)“, das zur Markteinführung und -verbreitung von LowEx-Konzepten und Systemen für Bestandsgebäude beitragen soll. Der Begriff LowEx charakterisiert Systeme, die mit möglichst niedrigem Temperaturniveau arbeiten und durch die damit mögliche Nutzung von Umweltenergie in Wärmepumpen eine sehr hohe Effizienz erreichen.
Weitere Projekt-Infos
Wärmenetze in der klimaneutralen Wärmeversorgung
Bisher werden ca. 14 % der Gebäude in Deutschland über Wärmenetze (Fern- oder Nahwärme) versorgt. In innerstädtischen Lagen, bei der Versorgung von Quartieren mit hoher Bebauungsdichte oder auch für denkmalgeschützte Gebäude oder Ensembles werden Fern- bzw. Nahwärmekonzepte in Zukunft eine wichtige Rolle bei der Wärmeversorgung von Gebäuden spielen. Doch was ist bei bestehenden
und neuen Nah- und Fernwärmesystemen zu beachten, damit sie ihrer Rolle für die Erreichung der
Klimaschutzziele gerecht werden? Wissenschaftler vom Institut Wohnen und Umwelt (IWU) haben
unter Berücksichtigung von Ergebnissen aus dem kürzlich abgeschlossenen Forschungsprojekt
EE-GebäudeZukunft hierzu das Thesenpapier Fernwärme für eine klimaneutrale Wärmeversorgung
erstellt. Download: www.bit.ly/tga1214
