24 4 · 2016 TR ANSFORMING CITIES PRAXIS + PROJEKTE Energie Die Energieversorgung, also die Belieferung von Verbrauchern mit Nutzenergie, ist ein wichtiger Bestandteil städtischer Infrastruktur. In der Vergangenheit wurde diese Nutzenergie primär durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe wie Erdöl, Erdgas oder Kohle erzeugt. Im Hinblick auf deren weitere Verknappung sowie den voranschreitenden Klimawandel sind jedoch erneuerbare Energieformen, die keinen CO 2 -Ausstoß verursachen, eines der großen Zukunftsthemen unserer Zeit. Die 2011 veröffentlichte Roadmap 2050 der Europäischen Kommission beschreibt das Vorhaben der EU und der G8-Staaten, die Treibhausgas- Emissionen bis zum Jahr 2050 um 80 Prozent, ausgehend vom Wert des Jahres 1990, zu reduzieren. In diesem „practical guide to a prosperous and low-carbon europe“ wird deutlich, dass dieses ambitionierte Ziel nur durch konsequente Umsetzung in allen Bereichen der Gesellschaft erreicht werden kann [1]. Dabei stellt die Energieversorgung privater Haushalte mit 27 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs in Deutschland eine wichtige Säule dar. Die restlichen Anteile entfallen mit jeweils rund 28 Prozent auf Industrie und Verkehr sowie mit insgesamt etwa 15 Prozent auf Gewerbe, Handel und den Dienstleistungssektor [2]. Im heute vorzufindenden Wohngebäudebestand haben in der Regel die jeweiligen Eigentümer die Entscheidung hinsichtlich der Heizanlage getroffen. Dabei liegt es in der Natur des Menschen, sich stärker auf die Erreichung kurzbis mittelfristiger statt langfristiger Ziele zu fokussieren. Die Entwicklung hin zur Erschließung ganzer Neubaugebiete oder Quartiere, häufig durch einen einzigen Investor, führt nun verstärkt zum Einsatz zentraler und zukunftsfähiger Energieversorgungssysteme. Der Vorteil: in einer zentralen Anlage kann mehr Energie erzeugt werden, als die einzelnen Gebäude verbrauchen. Um gesetzlichen Anforderungen, wie denen des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes (EEWärmeG) oder der Energieeinsparverordnung (EnEV) zu entsprechen, ist dabei die Nutzung regenerativer Energie elementarer Bestandteil der Gebäudeplanung. In diesem Beitrag wird das Eis- Energiespeichersystem als ganzheitliches, regeneratives Heiz- und Kühl-Konzept vorgestellt. Die Funktionsweise: Eis-Energiespeichersystem & Wärmepumpe Das Eis-Energiespeichersystem dient als Wärmequelle für Sole/ Wasser-Wärmepumpen und ist somit eine Alternative zu Erdwärmesonden oder Erdkollektoren. Es arbeitet nach einem einfachen Prinzip: In der Umgebung frei zur Verfügung stehende Wärme-Energie wird in einen unterirdischen Betonbehälter - den Heizen und Kühlen mit unterirdischen Eisbergen Kalte Nahwärmenetze, Energiespeicher, erneuerbare Energie, Wärmepumpe, Eisheizung, CO 2 -Reduktion Jana Dietz Die Folgen des Klimawandels rücken zunehmend in unser Bewusstsein - chaotische Wetterverhältnisse, Meldungen über Naturkatastrophen auf der ganzen Welt, abschmelzende Polkappen und steigende Meeresspiegel sind an der Tagesordnung. So bedrückend diese Nachrichten auch sind, noch können wir unseren Alltag weitgehend unbehelligt bestreiten. Doch Experten warnen: Schon jetzt sind die Konsequenzen der jahrelangen Gedankenlosigkeit selbst durch strikte Maßnahmen kaum aufzuhalten. Wie konnte es soweit kommen? In unseren Breitengraden stehen doch sowohl Wärme als auch Kälte in ausreichender Menge zur Verfügung. Das Problem liegt im meist antizyklischen Verlauf von Angebot und Nachfrage. Gelingt es, die Wärme des Sommers in den Winter und die Kälte des Winters in den Sommer zu transportieren, können Gebäude auf natürliche Weise - praktisch ohne CO 2 -Ausstoß - klimatisiert werden. Bild 1: Herzstück des Eis-Energiespeichersystems ist ein unterirdisch eingebrachter Betonbehälter. © Viessmann 25 4 · 2016 TR ANSFORMING CITIES PRAXIS + PROJEKTE Energie Eisspeicher - eingespeist. Das Speichermedium Wasser macht das System ökologisch unbedenklich und überall einsetzbar. Aufgrund der geringen Einbringungstiefe ist keine spezielle Genehmigung erforderlich. Mit einem Eis-Energiespeicher lässt sich der Energiehaushalt managen, die Wärme des Sommers für den Bedarf im Winter speichern. Zeitversetzt kann die gespeicherte Wärme dann genutzt werden, um eine Wärmepumpe zu speisen. Je Kilowatt aufgewendeter elektrischer Leistung entzieht die Wärmepumpe mehr als drei Kilowatt kostenlos zur Verfügung stehende Energie aus ihrer Umgebung, um das Gebäude zu beheizen. Im Heizbetrieb wird die Wärme aus dem Eisspeicher in das Gebäude geleitet. Gleichzeitig wird die Kälte aus dem Gebäude in den Eisspeicher rückgeführt. Dadurch kühlt dieser kontinuierlich ab. Erreicht das Wasser im Speicherbehälter 0 °C tritt ein besonderer Effekt auf: Beim Phasenübergang von 0 °C kaltem Wasser zu 0 °C kaltem Eis wird die sogenannte Kristallisationsenergie freigesetzt. Diese entspricht der Energiemenge, die benötigt wird, um Wasser von 0 °C auf 80 °C zu erwärmen. Durch das gezielte Wechselspiel aus Wärmeentzug und Regeneration kann der Gefrierprozess innerhalb einer Heizperiode mehrmals wiederholt werden, wodurch die Kristallisationsenergie nahezu unbegrenzt zur Verfügung steht. Gefriert Wasser zu Eis, geschieht dies in der Natur von außen nach innen. Durch die spezielle Anordnung des Wärmetauschersystems im Eis-Energiespeicher wird dieser Prozess jedoch umgekehrt. Das Wasser gefriert somit von unten nach oben und von innen nach außen. Die Übertragung von Kräften auf die Speicherkonstruktion, vergleichbar mit denen, die auf eine im Gefrierfach vergessene Glasflasche wirken, wird dadurch ausgeschlossen. Im klassischen Anwendungsfall steht am Ende der Heizperiode das thermische „Abfallprodukt“ Eis kostenfrei zur Gebäudekühlung zur Verfügung. Im Vergleich zu konventionellen Kühlkonzepten können die Kosten für die Bereitstellung von Kühlenergie bis zu 99 Prozent reduziert werden. Insbesondere im Hinblick auf den Klimaschutz spielt die Kühlung eine immer größere Rolle, da konventionelle Kälteanlagen häufig große Mengen CO 2 ausstoßen. Besteht ganzjähriger Heiz- und Kühlbedarf innerhalb eines Gebäudes oder werden mehrere Gebäude mit konträren Anforderungen insgesamt betrachtet, kann ein Wärme-Kälte-Verbund- System umgesetzt werden. Die Wärme aus dem zu kühlenden Gebäude(-teil) wird dann in das zu beheizende Gebäude (den Gebäudeteil) überführt und umgekehrt. Eine Wärmepumpe setzt im Betrieb sowohl Wärme als auch Kälte frei. Der Eisspeicher stellt sicher, dass wertvolle Energie nicht verpufft, sondern beide Produkte zielführend eingesetzt werden. Der Betrieb eines Eis-Energiespeichersystems erfordert lediglich Strom für die Wärmepumpe und den Pumpenantrieb. Wird dieser Strom über eine Photovoltaikanlage generiert, gelingt es, eine vollständig autarke Energieversorgung zu realisieren. Intelligentes Energiequellenmanagement Um den Anlagenbetrieb optimal auf das Nutzerverhalten der Anlagenbetreiber einzustellen und um Effizienz und Wirtschaftlichkeit stetig zu erhöhen, ist das System mit einer intelligenten Regelung ausgestattet. Diese greift zu jedem Zeitpunkt auf die Energiequelle zurück, die der Wärmepumpe die höchstmögliche Sole- Eintrittstemperatur liefert. Deren Wirkungsgrad kann auf diese Weise maximiert, der Stromverbrauch somit minimiert werden. Die gesammelten Daten werden durch Experten ausgewertet und bei der Planung und Bild 2: Schema zur Verdeutlichung der Abläufe und Zusammenhänge in einem kalten Nahwärmenetz. © Viessmann 26 4 · 2016 TR ANSFORMING CITIES PRAXIS + PROJEKTE Energie Auslegung zukünftiger Anlagen einbezogen, um diese kontinuierlich zu optimieren. Vom BAFA gefördert Im Rahmen der Richtlinien des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) für die „Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien im Wärmemarkt“ gilt eine erweiterte Innovationsförderung für Wärmepumpen mit verbesserter Systemeffizienz. Darunter fallen Wärmepumpen mit zusätzlichen Anlagenteilen bzw. Sonderbauformen, die mit höherem Investitionsaufwand eine deutliche Effizienzverbesserung des gesamten Systems erzielen und damit den Strombedarf und die Netzlast reduzieren [3]. Eine Verbesserung der Systemeffizienz kann mit verschiedenen technischen Ansätzen erreicht werden. Nach den geltenden Richtlinien vom 11. März 2015 ist die Kombination aus Wärmepumpe und Eisspeicher ein förderfähiges Anlagenkonzept. Die Fördermittel werden sowohl im Neubau als auch im Gebäudebestand gewährt. Voraussetzung dafür ist eine System-Jahresarbeitszahl (SJAZ) von mindestens 4,1 [4]. Aus der Praxis: Baugebiet Blumentopf - kaltes Nahwärmenetz mit Eis-Energiespeicher Etwa 60 000 Menschen leben im nordrhein-westfälischen Langenfeld, der drittgrößten Stadt des Kreises Mettmann. Aufgrund seiner strategisch günstigen Lage im Zentrum des Dreiecks Düsseldorf-Wuppertal-Köln, ist Wohnraum in dieser Region äußerst begehrt. Das Gebiet ist bereits so dicht bebaut, dass für Neubauvorhaben Platzmangel besteht. Bei den Stadtwerken Langenfeld, unter Leitung von Geschäftsführer Kersten Kerl, hat man früh die Veränderungen in der gängigen Baupraxis und die damit einhergehenden Folgen für das eigene Tätigkeitsfeld erkannt. Durch den sinkenden Primärenergiebedarf geht der Absatz von fossilen Energieträgern zunehmend zurück. Um wettbewerbsfähig zu bleiben und sich klar zur Nutzung erneuerbarer Energie zu positionieren, rüsteten die Stadtwerke Langenfeld bereits 2013 das eigene Geschäftsgebäude - bestehend aus 1000 m 2 Büro- und 700 m 2 Lagerfläche - mit einem regenerativen Heiz- und Kühlsystem mit Eis-Energiespeicher aus. Das energetische Konzept Grundsätzlich beschreibt der Begriff Nahwärmenetz die Übertragung von Heizwärme zwischen benachbarten Gebäuden. Die Besonderheit kalter Nahwärmenetze liegt im niedrigen Temperaturniveau des Energieträgermediums. Da dieses mit etwa 0 °C - 3° C kälter ist, als das umgebende Erdreich mit rund 8 °C, findet ein Wärmeausgleich statt, wobei das Erdreich Wärme an das die Rohleitungen durchfließende Wasser-Glykol-Gemisch abgibt. Versorgt wird das kalte Nahwärmenetz zudem mit Energie, aus einer Trinkwassertransportleitung. Das Trinkwasser durchläuft diese mit einer konstanten Temperatur von etwa 6 °C- -- 8 °C, wodurch ebenfalls ein Temperaturgefälle vorliegt und ein Wärmeaustausch stattfindet. Die gewonnene Wärme wird dann für die Wärmepumpe bereitgestellt, die, unmittelbar an der Schnittstelle zum Haus, für eine Anhebung der Temperatur auf das vom Verbraucher benötigte Niveau sorgt. Zur Stabilisierung des Netzes dient das Eis-Energiespeichersystem. Dessen Herzstück ist ein unterirdisch eingebrachter Betonbehälter mit einer Höhe von vier Metern und einem Durchmesser von 16 Metern (Bild 1). Gefüllt ist er mit 657 000 Litern Wasser, das je nach Betriebszustand zwischen 0 °C und etwa 20 °C warm ist. Über wartungsfreie Kunststoffrohre wird dem Wasser mit Wärmepumpen Wärme entzogen oder zugeführt. Der Speicher fungiert so als Energie-Manager und gleicht mit seiner großen Aufnahmekapazität aktuelle und saisonale Schwankungen bei Angebot und Nachfrage von Energie aus. Bild 2 zeigt ein Schema zur Verdeutlichung der Abläufe und Zusammenhänge in diesem kalten Nahwärmenetz. Der Einsatz Bild 3: Der zentrale Eis- Energiespeicher liegt inmitten des Neubaugebiets Blumentopf. © Viessmann 27 4 · 2016 TR ANSFORMING CITIES PRAXIS + PROJEKTE Energie eines zentralen Eis-Energiespeichers trägt dem vorherrschenden Platzmangel Rechnung. Da der Speicherbehälter unter der Erde liegt, ist die benötigte Fläche zudem nicht „verschwendet“, sondern steht den Bewohnern als Grünfläche zur Verfügung. Jedes der 58 Häuser, die im ersten Bauabschnitt realisiert werden, verfügt über eine eigene Wärmepumpe mit einer Leistung von 6 kW. Die Käufer bleiben somit, trotz eines gemeinschaftlich genutzten Eis-Energiespeichers, Eigentümer eines eigenen Heizsystems und können dieses entsprechend des persönlichen Bedarfs nutzen. Insgesamt werden durch das System 400 kW Leistung zum Heizen und zur Warmwasserbereitung bereitgestellt. Auf die Kühlung der Wohngebäude wurde bauseits in diesem Fall verzichtet. Ein Blockheizkraftwerk (BHKW), das mit Biogas der Stadtwerke Langenfeld betrieben wird, erzeugt den Antriebsstrom für die Wärmepumpen. Wärme- und elektische Energie werden vollständig innerhalb des kalten Nahwärmenetzes genutzt. Darüber hinaus bestehender Bedarf an elektischer Leistung wird aus dem öffentlichen Netz gedeckt. Der primäre Energie-Wert der 58 Häuser liegt zwischen 14,6 - 16,9 kWh/ (m 2 / a). Ein ep-Wert von 0,42 ermöglicht die Förderung als „Effizienzhaus 40“. Mit rund 5000 - 7000 EUR pro Haus sind die Investitionskosten für das Eis-Energiespeichersystem vergleichsweise günstiger als etwa für eine Geothermie-Anlage, die in Trinkwasser-Schutzzonen zudem ein Risiko darstellen kann. Der Startschuss für das Konzept zur Erschließung des Neubaugebiets in der Berghausener Region fiel im Jahr 2014. Ende August 2016 erfolgte die Abnahme des Eis-Energiespeichersystems. Im zweiten Bauabschnitt werden 16 weitere Häuser gebaut und ebenfalls an das kalte Nahwärmenetz angeschlossen. Auf Bild 3 ist die Anordnung der Gebäude und des Eisspeichers zu sehen, Bild 4 zeigt die Bauphase. Bewährtes übertragen Nach der Inbetriebnahme des kalten Nahwärmenetzes im Baugebiet Blumentopf wird es - im privaten Wohnbereich - deutschlandweit das größte seiner Art sein. Aufgrund seiner Innovationskraft und der Übertragbarkeit auf ähnliche Bauvorhaben, stößt das Projekt sowohl in den Medien als insbesondere auch bei Stadtwerken anderer Städte und Gemeinden auf großes Interesse. Um sich für die Zukunft zu wappnen, führt für die Grundversorgung der Bürger kein Weg vorbei an innovativen, gerade auch in stark bebauten Gebieten einsetzbaren Lösungen mit regenerativer Energie im Fokus. Insgesamt sind in Deutschland und den angrenzenden Nachbarländern etwa 120 Eis-Energiespeicher-Anlagen in Betrieb. Dabei wurden ganz unterschiedliche Konzepte umgesetzt, um die jeweils projektspezifisch vorhandenen Energiequellen auszuschöpfen. LITERATUR [1] European Climate Foundation (2010): Roadmap 2050: a practical guide to a prosperous, low-carbon europe. http: / / w w w.ro a dmap20 5 0 .eu / pro ject/ roadmap-2050 [2] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (2016): Energiedaten: Gesamtausgabe. http: / / bmwi.de/ BMWi/ Redaktion/ PDF/ E/ energiestatistiken-gr afiken,property=pdf,bereich= bmwi2012,sprache=de,r wb=t rue.pdfhttp: / / bmwi.de/ BMWi/ Redaktion/ PDF/ E/ energiestatistiken-grafiken,property=pdf ,bereich=bmwi2012,sprache=d e,rwb=true.pdf [3] Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (2015): Investitionsförderung - Wärmepumpen mit verbesserter Systemeffizienz. http: / / www.bafa.de/ bafa/ de/ energie/ erneuerbare_ energien/ waermepumpen/ publikationen/ merkblatt _wpinno_systemeffiz.pdf [4] Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (2015): Förderübersicht Wärmepumpe. http: / / w w w.bafa.de/ bafa/ de/ energie/ erneuerbare_energien/ waermepumpen/ publikationen/ wp_foerd_uebersicht.pdf AUTORIN Jana Dietz Marketingmanagement Viessmann Eis-Energiespeicher GmbH Kontakt: j.dietz@eis-energiespeicher.com Bild 4: Aushub für den zentralen Energiespeicher. © Viessmann QR Code scannen und Videos zum Eis- Energiespeichersystem auf YouTube ansehen: