Gutes aus nah und fern
Nah- und Fernwärme mit Solarenergie
Die Kombination von Sonne und Nah- bzw. Fernwärme beim Einsatz eines Solarheizkessels zur Beheizung und Warmwasserbereitung schafft neue Möglichkeiten zur Primärenergieeinsparung.
Seit 2009 gilt das Erneuerbare Energien Wärmegesetz (EEWärmeG), nach dem alle Gebäude, die neu gebaut oder grundlegend saniert werden, einen gewissen Anteil erneuerbarer Energien oder Ersatzmaßnahmen zur Wärmeversorgung einbeziehen müssen. Nach § 7 Absatz (1) des EEWärmeG zählt die Nutzung von Nah- und Fernwärme zu diesen Ersatzmaßnahmen.
Der derzeitige Anteil (Quelle: EuroStat) der Stromproduktion aus der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) 2009 liegt in Deutschland bei 13 %. Dieser soll bis 2020 auf 25 % ausgebaut werden. Eine Herausforderung, die sich dabei stellt ist, dass bei fallendem Wärmebedarf (nach EnEV) zugleich mehr Wärme eingespeist werden muss.
Kraft-Wärme-Kopplung
Unter dem Begriff Nah- und Fernwärme wird Abwärme aus Energieumwandlungsprozessen verstanden. Dabei sind die Übergänge fließend. Deshalb wird im Folgenden der Begriff Fernwärme (FW) als Synonym für beide Systeme genutzt. Bei der Stromerzeugung aus meist brennbaren Energieträgern werden derzeit nur ca. 40 % in Strom umgewandelt. Somit gehen 60 % der Primärenergie ungenutzt verloren. Diese Abwärme soll durch die Einkopplung in Fernwärmenetze nutzbar gemacht werden. Dadurch muss jede kWh Heizenergie aus dem FW-Netz beim Endnutzer nicht erzeugt werden. So steigt der Gesamtwirkungsgrad der Kraftwerke deutlich. Solche KWK-Systeme werden seit 2002 über das KWK-Gesetz (KWKG) gefordert und gefördert.
Vorteile der Nah- und Fernwärme
Aus dem KWK-Verfahren resultieren im Vergleich zu den konventionellen Heizsystemen erhebliche Vorteile wie die Vermeidung von CO2-Emissionen vor Ort. Außerdem entfällt eine Brennstoffbevorratung ebenso wie ein Schornstein und die damit verbundenen Gebühren. Schallemissionen durch Brenner, Verdichter oder sonstige Antriebe ermöglichen eine geräuscharme Wärmeversorgung. Energiequellen für die FW können u.a. konventionelle Energieträger sein, aber auch Biogas, Wasserstoffumsetzung in Brennstoffzellen oder Geothermie, die den herkömmlichen Energien auf jeden Fall vorzuziehen sind. Zudem liegt der Primärenergiefaktor für FW nur bei 0,7 statt 1,1 für konventionelle Heizgeräte. Ist der verwendete Brennstoff erneuerbar, kann der Primärenergiefaktor sogar auf null sinken. Durch diese Vielfalt an Energieträgern wird die Energiekostenentwicklung für FW meist moderater ausfallen als bei rein konventionellen Energieträgern (siehe Abb. 1).
Funktionsweise Solarheizkessel
Das Unternehmen Solvis (www.solvis.de) baut z.B. seit fast 25 Jahren solarthermische Anlagen und bietet ein flexibles Heizsystem an, das in Verbindung mit Solarkollektoren für Raumwärme und Warmwasser sorgt. Hier steht der Speicher als Energiezentrale und Herzstück im Zentrum der Systeme, im Gegensatz zu herkömmlichen Anlagen, bei denen der Brenner das zentrale Bauteil ist. Der Wärmeübertrager wird einfach in den Speicher integriert. Der primäre Wärmeerzeuger ist dabei immer die Solaranlage für die Nutzung auf Warmwasser und Heizungstemperaturniveau. Nur in den Deckungslücken schaltet ein sekundärer Wärmeerzeuger dazu. Der modulare Aufbau des „SolvisMax“-Systems (siehe Abb. 2) ermöglicht es, die verschiedensten Energiequellen für diesen Einsatz zu nutzen. Zurzeit sind ein integrierter Gas- oder Öl-Brennwertbrenner sowie eine Wärmepumpe verfügbar. Zudem kann der „SolvisMax“ mit einem Kaminofen oder einem FBK-Kessel ergänzt werden. Der Schichtenlader im Speicher ermöglicht einen solaren Deckungsbeitrag des Energiebedarfs von bis zu 30 %.
Solarheizkessel mit
Fernwärmemodul
Die Fernwärme ist ein weiterer Schritt in Richtung Ressourcenschonung. Mit der Nutzung der FW im „SolvisMax“, einer Solaranlage und z.B. einem Kaminofen mit Wassertasche kann der Kauf von FW-Energie auf ein Minimum reduziert werden. Damit werden die kostensenkenden Vorteile des „SolvisMax“ mit den Vorteilen der Fernwärme kombiniert.
Die FW-Hauszentrale ist in Abb. 3 abgebildet. Der Auslegungsdruck liegt bei 25 bar, die maximale Vorlauftemperatur bei 130 °C, die Rohrleitungen sind aus Edelstahl und der Rippenrohr-Wärmeübertrager ermöglicht eine Abkühlung des FW-Wassers bis weniger als 1K an die Speichertemperatur. So wird die gesamte nutzbare Energie aus dem FW-Netz entnommen. Durch die flachdichtende Bauweise ist eine Wartung auch ohne Spezialkenntnisse möglich.
Ein Thermo-Siphon verringert die thermischen Verluste infolge von Mikrozirkulation bei Anlagenstillstand. Eine FW-RL-Temperaturüberwachung gewährleistet die Einhaltung der Technischen Anschlussbedingungen (TAB) der EVU. Ein Ventil mit Notschließfunktion gewährleistet hohen Sicherheitsstandard. Eine Übergabestation wird vom EVU oder vom Fachhandwerker für die jeweiligen technischen Anschlussbedingungen gestellt. Das Solarheizsystem lässt sich so den jeweiligen Anforderungen problemlos anpassen.
Anwendungspraxis
In Abb. 4 ist ein typischer Temperaturverlauf für einen Tag im September einer FW-Heizungsanlage im Feldtestgebiet Wolfsburg dargestellt. Dabei handelt es sich um einen 450 l-Solarspeicher mit 10 m² Solaranlage und einer FW-Einheit. Es ist ein FW-Betrieb für den Vormittag zu erkennen. Ab 10 Uhr übernimmt die Solaranlage die Energieversorgung und heizt den Speicher auf. Durch die gute Schichtung stellen sich im weiteren Tagesverlauf schnell wieder Heizungsrücklauftemperaturen im unteren Speicherbereich ein. So ist auch im Solarbetrieb gewährleistet, dass die Fernwärmerücklauftemperaturen gering gehalten werden und eine hohe Effizienz bei der Fernwärmenutzung erfolgt. Der Einsatz der FW-Hauszentrale ist vorwiegend für den Neubau und sanierten Altbau prädestiniert. Die Hauszentrale ist für den Einsatz in Ein- oder Mehrfamilienhäusern gedacht. Dabei ist die mögliche Heizleistung entscheidend. Diese ist im Abb. 5 in Abhängigkeit vom Fernwärmevolumenstrom und der Spreizung zwischen FW-Vorlauf und Speichertemperatur bzw. Anforderungstemperatur abzulesen.
Mithilfe der Abbildung ist zu erkennen, dass es effizienter ist, das Temperaturniveau des Heizungssystem möglichst gering zu halten, um bei gleichem Volumenstrom eine höhere Heizleistung zu erzielen. Ebenso ist die Rücklauftemperatur (RL-T) der Fernwärme stark von der Heizungs-RL-Temperaturabhängig. Für einen Vergleich wird Abb. 6 herangezogen. Darin werden die RL-T prozentual in Bezug auf die Betriebszeiten der FW dargestellt. Der Betrachtungszeitraum beträgt ein Jahr. Die Datengrundlage wurde ohne eine RL-T-Begrenzung erstellt. Die erste Säule zeigt ein Heizungssystem aus einem sanierten Altbau (Radiatorheizung), die zweite aus einem Neubau eines EFH (FBH). Die Auswirkungen eines Heizungssystems mit höherem Temperaturniveau sind deutlich an den höheren FW-RL-T zu erkennen. Im Altbau liegen die FW-RL-T während der Betriebszeiten zu 55 % unter 45 °C bzw. zu über 90 % unter 50 °C. Bei Neubauten mit NT-Heizsystem liegen die RL-T schon über 90 % unter 45 °C. Deshalb wird empfohlen, in Gebäuden Heizsysteme mit Niedrigtemperaturniveau einzusetzen, um die Effizienz zu steigern und die Kosten zu minimieren.
