50 4 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Mit neuer Energie Mit der Novelle des Klimaschutzgesetzes verschärft die Bundesregierung die Klimaschutzvorgaben und stellt somit die Weichen für einen ambitionierten Klimaschutz, um die bereits heute spürbaren Auswirkungen des Klimawandels zukünftig abzumindern. Bis zum Ende des Jahrzehnts sollen die Treibhausgasemissionen um 65 % gegenüber 1990 gesenkt werden. Im Jahr 2045 soll die Klimaneutralität erreicht werden. Das Ziel bis ins Jahr 2050 sind negative Treibhausgasemissionen, das heißt, es sollen mehr Emissionen in natürlichen Senken gebunden sein, als ausgestoßen werden. Das Forschungsprojekt KoWa Das Forschungsprojekt „KoWa - Wärmewende in der kommunalen Energieversorgung“ [1] konzentriert sich darauf, Kommunen und kommunale Versorgungsunternehmen bei der Entwicklung von nachhaltigen, auf Defossilisierung und Steigerung der Energieeffizienz ausgerichtete Wärmeversorgungssysteme und -kooperationen wissenschaftlich zu begleiten und mit Fachexpertise zu unterstützen. Die Forschungsarbeiten konzentrieren sich dabei auf vier bundesweit verteilte Versorgungsgebiete, die im Projekt als regionale Cluster bezeichnet werden: Berlin, Osnabrück, Sömmerda und Saarlouis. Allen Clustern liegt die Betrachtung bestehender oder neuer Wärmenetze zugrunde. Konkret hat sich das KoWa-Konsortium zum Ziel gesetzt, Zugangshürden und Hemmnisse bei der Implementierung, Erweiterung oder Ertüchtigung kommunaler Wärmenetze zu identifizieren. Die kommunalen Akteure erhalten technisch, ökonomisch und juristisch abgestimmte Konzepte für eine nachhaltigere, weitestgehend defossilisierte Wärmeversorgung an die Hand. Das Projektkonsortium besteht aus der IZES gGmbH, der Hochschule für Wirtschaft und Recht Berlin, der Hochschule Osnabrück, der enable energy solutions GmbH, der Solites - Steinbeis-Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme sowie der Universität Rostock. Für die Betrachtung und die Entwicklung von zukunftsfähigen Versorgungskonzepten im Cluster Saarlouis ist das Arbeitsfeld Infrastruktur und Kommunalentwicklung der IZES gGmbH verantwortlich. Cluster Saarlouis Die Kreis- und Europastadt Saarlouis liegt im westlichen Teil des Saarlandes etwa 20 km nordwestlich der Landeshauptstadt Saarbrücken. Mit rund 34 500 Einwohner*innen ist Saarlouis die sechstgrößte Stadt im Saarland [2]. Schon frühzeitig hat sich Saarlouis mit den anstehenden Veränderungen (demo- Neue Wärme in alten Rohren Photovoltaik-Großwärmepumpen- Kombination als Wärmeversorgungsoption für Saarlouis-Steinrausch Dachflächen-Photovoltaik, Groß-Wärmepumpe, kommunale Wärmewende, Quartier Manuel Trapp, Celina Kölsch, Mike Speck, Dorothee Siemer Im BMWK-Projekt KoWa entwickelt die IZES gGmbH Konzepte zu technischen Möglichkeiten, ein bestehendes Wärmenetz in Saarlouis- Steinrausch weitestgehend zu dekarbonisieren. Einerseits ermittelt das Projekt den aktuellen und zukünftigen Wärmebedarf inklusive verschiedener energetischer Sanierungsvarianten, andererseits werden verschiedene Versorgungsoptionen betrachtet und miteinander verglichen. Hierbei steht unter anderem die Versorgung des bestehenden Fernwärmenetzes mittels zentraler Groß-Wärmepumpen, die durch Dachflächen-PV-Anlagen im Quartier mit Strom versorgt werden, im Fokus der Untersuchung. Bild 1: Gebäudetypologie im Stadtteil Saarlouis Steinrausch. © IZES 2021; Kartengrundlage: LVGL GDZ 2020, GeoPortal Saarland 2020 51 4 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Mit neuer Energie grafischer, Struktur- und Klimawandel, technischer Fortschritt etc.) auseinandergesetzt. Im Bereich Klimaschutz ist Saarlouis im Saarland ein Vorreiter. Bereits 2010 hat der Stadtrat Saarlouis einstimmig beschlossen, sich bis 2050 zur Null-Emissionsstadt zu entwickeln. In der Folge wurde das Leitbild des Klimaschutzes weitgehend in das kommunale Handeln integriert und wird konsequent verfolgt. Die Kreisstadt Saarlouis und die Stadtwerke Saarlouis stellen die wesentlichen Akteure im Cluster Saarlouis dar und wurden als assoziierte Praxispartner bereits in die Projektentwicklung eingebunden. Gemeinsam wurde der Stadtteil Saarlouis-Steinrausch als Untersuchungsgebiet für das Projekt KoWa definiert. Untersuchungsgebiet Saarlouis-Steinrausch Saarlouis-Steinrausch ist der jüngste Stadtteil Saarlouis‘ und wurde 1962 als „Wohnlandschaft im Grünen“ geplant und in der Folge gebaut [3]. Der Stadtteil ist in seiner Struktur sehr homogen und hauptsächlich durch Wohngebäude unterschiedlicher Größe geprägt. Im Zentrum des Stadtteils gibt es Möglichkeiten zur Nahversorgung und angrenzend befinden sich ein Freibad, eine Grundschule, zwei Kindertageseinrichtungen, die Steinrauschhalle und die Feuerwache Saarlouis-Ost. Heute bietet der Stadtteil etwa 3 560 Menschen Raum zum Wohnen [4]. Für das Projekt KoWa stellt Saarlouis-Steinrausch ein ideales Untersuchungsgebiet für den Bereich Wohnen dar, da die homogene durch Wohnen geprägte Siedlungsstruktur mit rückläufigem Wärmeabsatz infolge rückläufiger Einwohnerzahlen und energetischer Sanierungsmaßnahmen einer recht unflexiblen Wärmeversorgung gegenübersteht. Ferner vollzieht sich im Stadtteil in den nächsten Jahren der Generationswechsel, was mit entsprechenden Umbauten und Sanierungen im Gebäudebestand einhergehen wird. Analyse des Gebäudebestandes Im ersten Schritt wurde eine Analyse der Bestandsgebäude durchgeführt (Bild 1). Die Kombination aus Informationen aus dem Wärmekataster Saarland [5], Fernerkundungsdaten und einer detaillierten Stadtteilbegehung inklusive ausführlicher Dokumentation des Gebäudezustandes und Thermografieaufnahmen führten zu einer sehr belastbaren Datengrundlage für die weitere Untersuchung. Der Gebäudebestand ist sehr homogen und umfasst insgesamt 1 114 Wohngebäude, hauptsächlich Einbzw. Zweifamilienhäuser als freistehende, Doppel- und Reihenhäuser. Eine Achse kleiner und großer Mehrfamilienhäuser bildet das Zentrum des Stadtteils. Hier befinden sich zusätzlich zum Wohnen auch teilweise in den ersten beiden Etagen Gewerbeflächen, die unter anderem auch zur Nahversorgung dienen. Angrenzend an die Wohnbebauung befinden sich Sonderbauten wie Schwimmbad, Sporthalle, Kindergärten, Grundschule und Feuerwehr. Des Weiteren sind Kirchen sowie Gemeindehäuser bzw. Begegnungsstätten in den Stadtteil integriert. Der überwiegende Teil der Gebäude ist in den ersten zehn Jahren nach Erschließung des Stadtteils ab 1967 erbaut worden. Analyse der Wärmeversorgung Ursprünglich wurden die meisten Häuser im Steinrausch mit Nachtspeicherheizungen ausgestattet. In den 1990er Jahren wurde im Rahmen der dritten Ausbauphase der Fernwärmeschiene Saar im Stadtteil Saarlouis-Steinrauch flächendeckend ein Fernwärmenetz verlegt (Bild 2). Die Anschlussquote an das Wärmenetz im Steinrausch liegt heute bei 72,5 %. Das Wärmenetz im Steinrausch wird über den Stadtteil Fraulautern durch die Fernwärmeschiene Saar mit Wärme versorgt. Der Wärmebezug des Fernwärmenetzes im Steinrausch belief sich im Jahr 2020 auf rund 22 330 MWh. Die Wärmeabgabe belief sich auf rund 16 100 MWh. Hieraus ergeben sich Netzverluste von etwa 28 %. Die Versorgung der Fernwärmeschiene Saar erfolgt unter anderem durch die Dillinger Hütte, die Zentralkokerei Saar und das Steinkohlekraftwerk Fenne in Völklingen. Bild 2: Art der Wärmeversorgung im Stadtteil Saarlouis Steinrausch und Wärmelastgang des Wärmenetzes. © IZES 2021; Datengrundlage: Stadtwerke Saarlouis; Kartengrundlage: LVGL GDZ 2020, GeoPortal Saarland 2020 52 4 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Mit neuer Energie Erneuerbare Energien werden im Netz bisher nicht eingesetzt. Die zukünftige Versorgungssicherheit ist aufgrund des hohen Anteils an industrieller Abwärme unter anderem von Unternehmensinteressen und übergeordneten Entwicklungen abhängig. Rund 18 % der Haushalte erzeugen ihre Wärme weiterhin über die alten Nachtspeicheröfen aus den Entstehungsjahren, teilweise wurden diese durch andere Heizsysteme wie beispielsweise Infrarotheizungen oder Wärmepumpen ersetzt bzw. mit ihnen kombiniert. [6] Analyse des Wärmebedarfs Auf Basis der Bestandsgebäudeanalyse und der entwickelten Gebäudetypologie wurden mit der Software Evebi (Software für Gebäudeenergiebilanzierungen zur Erstellung von Energieausweisen [7]) stellvertretend für die einzelnen Gebäudetypen Modellhäuser erstellt und für diese Energiebedarfsausweise erzeugt. Anhand der Thermografieaufnahmen in Verbindung mit der TABULA-Datenbank [8] konnte die Gebäudekonstruktion ermittelt und der energetische Zustand bzw. der Sanierungszustand der Gebäude eingeschätzt werden. Somit konnte der jährliche Gesamt-Energiebedarf basierend auf dem jeweiligen Gebäudetyp und dessen Anzahl für den gesamten Stadtteil bilanziert werden. Der Wärmebedarf für den gesamten Stadtteil wurde mit rund 34 000 MWh bilanziert. Für die Gebäude, die mit Fernwärme versorgt werden, wurde eine Bild 3: Wärmeeinsparpotenziale im Stadtteil Saarlouis Steinrausch. © IZES 2022; Kartengrundlage: LVGL GDZ 2020, GeoPortal Saarland 2020 Wärmemenge von rund 24 000 MWh errechnet. Diese Wärmemenge beruht auf der Annahme, dass die Gebäude im Stadtteil unsaniert sind. Auf Basis der Gebäudeanalyse kann im Steinrausch allerdings mit einer Sanierungsquote von rund 10 % gerechnet werden. In Abgleich mit dem gemessenen Wärmeverbrauch der fernwärme-versorgten Gebäude liegt der bilanzierte Gesamt-Wärmebedarf etwa 27 % über den realen Werten. Die gemessene Wärmemenge liegt bei rund 16 000 MWh (Bild 3). Die Daten wurden mit den lokalen Akteuren diskutiert und verifiziert. Die Abweichung zwischen Wärmebedarf und Wärmeverbrauch lässt sich mit nicht erkennbaren und daher nicht bilanzierten energetischen Sanierungsmaßnahmen, dem unterschiedlichen Nutzer*innenverhalten, der elektrischen Warmwasserbereitstellung sowie durch Leckagen und Netzverluste erklären. Für die Zukunft wurden zwei Sanierungsvarianten gerechnet. Der Sanierungsvariante 1 (SP 1) liegt eine Sanierungsquote von 1 % pro Jahr für die nächsten 30 Jahre zugrunde, wodurch rund 20 % des Wärmebedarfs eingespart werden können. In Sanierungsvariante 2 (SP 2) soll in 30 Jahren eine 100 %-ige Sanierung erzielt werden, wodurch rund 80 % des Wärmebedarfs eingespart werden können. Für die Bilanzierung der Sanierungsvarianten wurden die Sanierungsstandards KfW-Effizienzhaus-Stufe 85, 70 und 55 zugrunde gelegt [9]. Die Konzepte für zukunftsfähige Wärmeversorgungsmöglichkeiten In Zusammenarbeit mit Vertretern der Stadt und den Stadtwerken Saarlouis wurden auf der Basis der beiden Sanierungsvarianten und unter der Bedingung, dass das vorhandene Wärmenetz weiterhin bestehen bleibt, insgesamt drei unterschiedliche Konzepte für zukunftsfähige Wärmeversorgungsmöglichkeiten entwickelt.  In Versorgungsvariante 1 wird das Wärmenetz Saarlouis-Steinrausch weiterhin über die Fernwärmeschiene Saar mit Wärme versorgt. Hier wird lediglich ein Wärmetauscher an der Übergabestation vorgesehen. Durch den Wärmetauscher ist eine bedarfsgerechtere Betriebsführung und Versorgung der Gebäude in Saarlouis-Steinrausch möglich.  In Versorgungsvariante 2 soll der Wärmebedarf durch die Kombination von Flächen-Solarthermie und einer Biomassefeuerung (Holzhackschnitzel) gedeckt werden. Die Spitzenlast wird durch die Fernwärmeschiene Saar gedeckt.  In Versorgungsvariante 3 wird das Wärmenetz durch eine zentrale Groß-Wärmepumpe ver- 53 4 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Mit neuer Energie sorgt. Die Spitzenlast wird auch hier weiterhin durch die Fernwärmeschiene Saar gedeckt. Die zum Betrieb der Wärmepumpe benötigte elektrische Energie wird bilanziell von Aufdach-Photovoltaik-Anlagen auf den Bestandsdächern im Steinrausch bereitgestellt. Auf die Versorgungsvariante 3 wird in der Folge näher eingegangen. Beschreibung der Versorgungsvariante 3 Für die Konzeptionierung der dritten Versorgungsvariante wurde zunächst der solare Ertrag aller geeigneten Dachflächen im Steinrausch ermittelt. Je nach Fläche (mindestens drei Module à 1,6 m 2 ), Neigung und Ausrichtung der Dächer sowie deren Verschattung ergibt sich ein maximaler solarer Ertrag für den gesamten Stadtteil von insgesamt rund 9 600 MWh im Jahr (Bild 4). Für die Untersuchung wurden verschiedene Ausbaustufen der PV-Anlagen in Betracht gezogen. Zusätzlich zum Ertrag bei Nutzung von 100 % der Dachflächen wurden auch die Ausbaustufen 25 %, 50 %, 75 % der Dachflächen angesetzt. Die ermittelten PV-Erträge stellten die Grundlage für die Berechnung des Wärmepumpen- Potenzials dar. Für die zentrale Groß-Wärmepumpe stehen im Steinrausch prinzipiell die Wärmequellen Umgebungsluft, Erdreich (Sole) und Umweltwärme (Abwasser) aus kommunalem Abwasser zur Verfügung. Der überschüssige elektrische Ertrag wurde durch den Einsatz verschiedener Speichertechnologien (Wärmespeicher, Strom-Cloud etc.) bilanziell auf einstrahlungsschwächere Tages- und Jahreszei- Bild 4: Solarpotenzial im Stadtteil Saarlouis Steinrausch. © IZES 2022; Kartengrundlage: LVGL GDZ 2020, GeoPortal Saarland 2020 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 500 0 [MWh] Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Wärmebedarf IST Wärmebedarf SP1 Wärmebedarf SP2 Wärmeertrag IST Wärmeertrag SP1 Wärmeertrag SP2 Bild 5: Vergleich von Wärmebedarf und Wärmeertrag. © IZES ten übertragen. Die Nennleistung der Groß-Wärmepumpe orientiert sich am geringsten stündlichen Wärmebedarf eines Jahres (20 %). Hierdurch kann ein Großteil des Wärmebedarfs über das Jahr gedeckt werden. Der Wärmebedarf, der über den daraus resultierenden höchstmöglichen Wärmeertrag der Wärmepumpe hinausgeht, wird als Spitzenlast durch die bestehende Anbindung an die Fernwärmeschiene Saar bereitgestellt. Für die Auslegung der Groß-Wärmepumpe wird sowohl der aktuelle etwa für die Elektromobilität, genutzt werden könnte. 54 4 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Mit neuer Energie Wärmebedarf als auch der zukünftige Wärmebedarf basierend auf den beiden Sanierungsvarianten zugrunde gelegt. Da in Sanierungsvariante 2 von einer 100 %-Sanierung ausgegangen wird, ist hier neben dem niedrigeren Wärmebedarf zusätzlich eine Senkung der Vorlauftemperatur von im Mittel rund 85 °C auf 60 °C berücksichtigt. Auswertung der Versorgungsvariante 3 Bei Belegung der gesamten geeigneten Dachflächen des Stadtteils mit Photovoltaik (100 %) zum Betrieb der Wärmepumpe könnten bei allen untersuchten Wärmequellen (Luft, Sole, Abwasser) bei einer Wärmenennleistung von 3 MW etwa 87 % des aktuellen Wärmebedarfs von rund 16 400 MWh gedeckt werden. Die Wärmepumpe würde dabei mit theoretischen Jahresarbeitszahlen ( JAZ) von 1,91 (Luft), 2,00 (Sole) und 2,16 (Abwasser) arbeiten. Der Wärmebedarf in Sanierungsvariante 1 kann durch die Groß-Wärmepumpe bei 50 %-iger Dachflächennutzung mit allen Wärmequellen zu 88 % des Wärmebedarfs von rund 9 600 MWh gedeckt werden. Die JAZ liegt auch hier bei 1,91 (Luft), 2,00 (Sole) und 2,16 (Abwasser). Bei 25 %-iger Dachflächennutzung liegt der Deckungsanteil lediglich noch zwischen 40 % (Luft) und 44 % (Abwasser). Sind alle Gebäude saniert, kann der Wärmebedarf von rund 4 100 MWh theoretisch bis zu 89 % mittels einer zentralen Groß-Wärmepumpe mit Nennleistung von 800 kW gedeckt werden. Um eine Wärmepumpe dieser Größenordnung bilanziell betreiben zu können, würde unabhängig von der eingesetzten Wärmequelle bereits eine 25 %-ige Nutzung der geeigneten Dachflächen ausreichen. Die Luft-Wasser-Wärmepumpe würde mit einer theoretischen JAZ von 2,64 arbeiten. Bei Nutzung des Erdreichs (Sole) könnte eine theoretische JAZ von 2,85, bei Abwassernutzung von 3,2 erreicht werden (Bild 5). Fazit/ Ausblick KoWa hat gezeigt, dass die Dekarbonisierung des bestehenden Wärmenetzes in Saarlouis-Steinrausch im Zusammenspiel mit umfangreichen Sanierungsmaßnahmen der Bestandsgebäude möglich ist. Durch die Versorgung der zentralen Groß-Wärmepumpe mittels der Dachflächen-Photovoltaik- Anlagen im Stadtteil wäre bilanziell sogar eine lokale, erneuerbare Wärmeversorgung möglich. Zusätzlich stünde zukünftig, bei einer 100 %-igen Nutzung der Dachflächen mit PV-Anlagen, erneuerbarer Überschussstrom zur Verfügung, der zum Beispiel zur Deckung des lokalen/ privaten Strombedarfs, etwa für die Elektromobilität, genutzt werden könnte. Manuel Trapp Wissenschaftlicher Mitarbeiter IZES gGmbH Kontakt: mtrapp@izes.de Celina Kölsch Ehem. Wissenschaftliche Mitarbeiterin IZES gGmbH Kontakt: info@izes.de Mike Speck Arbeitsfeldleiter Infrastruktur und Kommunalentwicklung IZES gGmbH Kontakt: speck@izes.de Dorothee Siemer Wissenschaftliche Mitarbeiterin IZES gGmbH Kontakt: siemer@izes.de AUTOR*INNEN LITERATUR [1] KoWa - Wärmewende in der kommunalen Energieversorgung (Fördernummer 03EN3007E - BMWK), gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, Laufzeit: 01/ 2020 - 12/ 2022. www.kowa-projekt.de [2] Statistisches Amt Saarland: Fläche, Bevölkerung in den Gemeinden am 30.09.2019. Saarbrücken. [3] Kreisstadt Saarlouis: Stadtportrait Saarlouis. XIV Vierzehn. 2017. [4] Kreisstadt Saarlouis: Zahlen in Saarlouis 2019. Bourgeois, Bernd, Amt 32 Bürgerbüro. Saarlouis, 31.12.2019. [5] Trapp, M. et al.: Wärmekataster Saarland. Im Auftrag des Ministeriums für Wirtschaft, Arbeit, Energie und Verkehr Saarland. IZES gGmbH. Saarbrücken, 2018. geoportal.saarland.de. [6] FWS: Interview und Datensatz zum Fernwärmenetz Saarlouis Steinrausch. Fernwärmeversorgung Saarlouis-Steinrausch, 2020. fws-saarlouis.de [7] ENVISYS: EVEBI Pro Software für Energieberater zur Erstellung von Energieausweisen. www.envisys.de [8] IWU: Tabula-/ Episcope-Datenbank. Institut Wohnen und Umwelt GmbH, 2016. episcope.eu [9] KfW: Die Effizienzhaus-Stufen für bestehende Immobilien und Baudenkmale. KfW Frankfurt am Main, 2020.