Contracting im LKA

Bei den Maßnahmen im LKA Baden-Württemberg lag der Fokus im Energiespar-Contracting auf dem bedarfsgerechten Betrieb der Heizungs- Lüftungs- und Kälteanlagen. Die im Intracting realisierten Maßnahmen bezogen sich vor allem auf die Wärme- und Kälteerzeugung. Als ein Leuchtturmprojekt im Impulsprogramm des Landes Baden-Württemberg ist im Landeskriminalamt (LKA) ein BHKW mit Absorptionskältemaschine (AKM) installiert worden. Ein alter Heizkessel war zum Austausch fällig und wurde durch neueste Technik ersetzt. Die Landesregierung hat hierzu eine Möglichkeit geschaffen, um energiesparende Maßnahmen über das interne Intracting zu finanzieren. Nach diesem Muster wurden die notwendigen Investitionskosten bereitgestellt. Die Auswirkungen von Intracting und Energiespar-Contracting auf die Kosten und die Umwelt werden im Folgenden näher erläutert.

Haustechnik

Das Verwaltungsgebäude des Landeskriminalamtes in Stuttgart-Bad Cannstatt ist mit Büros, Labors für kriminaltechnische Untersuchungen und einem Rechenzentrum ausgestattet. Etwa 800 Personen arbeiten dort auf einer Gesamtfläche von etwa 37.900 m². Aus Sicherheitsgründen muss das gesamte EG mit etwa 7.600 m² klimatisiert sein. Ferner müssen die Labors mit aufbereiteter Luft (gekühlt, befeuchtet) versorgt werden, um eine Verfälschung der Messergebnisse zu verhindern.

Vorhandene Energieversorgung

a) Wärme:

Auf dem Taubenheimareal werden das LKA mit Alt-und Neubau, eine Behörde im Bauteil JK, die Staatlichen Münze und die Kantine von der Wärmezentrale des LKA mit Wärme für Heizung und Warmwasserbereitung versorgt. Bei der Inbetriebnahme des LKA im Jahre 1978 waren drei Gasheizkessel mit einer Heizleistung von zweimal 2,1 MW und einmal mit 1,1 MW installiert.

Der im Jahre 2001 neu erbaute Anbau mit 1980 m² Nutzfläche wird gleichfalls von der Heizzentrale versorgt, was aber keinen neuen Heizkessel bedingte. Die gemessene Heizlast im Jahre 2009 betrug 1.650 kW.

b) Kälte:

Um den Kältebedarf von 1.130 kW im LKA zu decken, sind zu Anfang vier Kältemaschinen in Betrieb gewesen. Die vier Kältemaschinen sind auf drei Gebäudekerne und die Heizzentrale verteilt. Entgegen einer energiesparenden Bauweise sind die Kältemaschinen nicht im UG, sondern in den obersten Geschossen untergebracht. Die Verteilung der Kälte an die angeschlossenen Verbraucher erfolgt zentral im UG, was hohe Verteilverluste zur Folge hat. Die fehlende hydraulische Trennung von Erzeuger- und Verbraucherkreisen führt zu Schwierigkeiten in der Kälteverteilung, weshalb die Vorlauftemperaturen besonders niedrig sein müssen. Somit entstehen unnötige Verluste, die sich in den Kosten niederschlagen.

Der Neubau des LKA sowie eine Behörde im Bauteil JK sind jeweils mit einer eigenen Kältemaschine ausgestattet. Die Kühllast für den Neubau beträgt 47 kW und für die Behörde im Bauteil JK 276 kW. Die Kühlräume der Kantine werden durch eigene kleinere Kühlgeräte versorgt. Im UG des LKA sind das Rechenzentrum sowie zwei Serverräume an das zentrale Kältenetz angeschlossen.

c) Lüftung:

In den einzelnen Kernen wird die Zuluft über Hochdruck-Zweikanal-Klimaanlagen vom obersten Geschoss ins EG und UG eingeblasen. Das Mischen von warmer und kalter Zuluft erfolgt über pneumatisch geregelte Mischboxen. Auch hier erzeugen die weiten Wege einen hohen Druckverlust, der höhere Ventilatorleistungen erfordert. Der Volumenstrom pro Anlage beträgt etwa 32.000 m³/h.

Das Rechenzentrum wird von zwei redundanten Klimaanlagen mit Kälte versorgt. Der Volumenstrom je Anlage beträgt etwa 60.000 m³/h. Die konditionierte Zuluft wird über einen Druckboden eingeblasen.

d) DDC-Technik:

Im LKA, dem Neubau und der Behörde im Bauteil JK, werden alle Wärme- und Kälteerzeuger sowie alle RLT-Anlagen über eine GLT geregelt. Durch das Energiemanagement hat der Nutzer die laufende Kontrolle über Verbrauch, Temperatur und Feuchte in den einzelnen Bereichen. Die Visualisierung aller Daten über Grafiken ermöglicht ein schnelles Eingreifen, wenn Grenzwerte überschritten werden.

e) Betreuung der Gesamtanlage:

Der Betrieb solch komplexer Anlage kann nur durch Fachpersonal durchgeführt und zu einem wirtschaftlichen Erfolg gebracht werden. Deshalb wird die Anlage durch Ingenieure und einem Elektromeister rund um die Uhr betreut. Der Erfolg für Contracting-Maßnahmen hängt somit sehr stark vom Einsatz des Betriebspersonals ab.

Energiespar-Contracting Phase I

Im Jahr 1995 wurde ein Vorvertrag zur detaillierten Projektierung der erforderlichen Maßnahmen abgeschlossen. Als Ergebnis der Projektierung wurde eine Energieeinsparung von 138.000 €/a bei Investitionskosten von 690.000 € bestätigt.

Ende 1996 wurde der Contracting-Vertrag mit einer Laufzeit von acht Jahren abgeschlossen. Der Contractor verpflichtet sich darin zu Einbau, Inbetriebnahme und Optimierung der Anlagen. Vertraglich festgelegt sind mindestens 70 % der prognostizierten Einsparungen. Wartung, Instandhaltung der eingebauten Komponenten sowie das Monitoring des Energieverbrauchs obliegt dem Contractor. Dieser erhält eine Rückvergütung in Höhe von 123.000 €/a. Übersteigen die Einsparungen den Betrag von 138.000 €/a, so wird der Betrag je zur Hälfte zwischen Auftraggeber und Contractor geteilt.

Folgende Maßnahmen wurden durch den Contractor durchgeführt:

Durch den Einbau der FU kann der Volumenstrom in den RLT-Anlagen an den Bedarf bestens angepasst werden, wodurch die Förderkosten für Luft stark sinken.

Das Energiemanagement-System ermöglicht eine stetige Kontrolle aller RLT-Anlagen. Hierzu werden die Anlagen-Istwerte und die Energieverbräuche graphisch dargestellt:

Grenzwertüberschreitungen werden sofort angezeig. Der Betreiber der Anlagen kann sofort Gegenmaßnahmen ergreifen.

Erzielte Ergebnisse:

Die erste Abrechnung im September 1997 zeigte bereits, dass die prognostizierten Einsparungen von 138.000 €/a etwa um 26 % übertroffen wurden. Durch die gute Zusammenarbeit von Contractor und Betriebspersonal konnte der Betrieb der einzelnen Regelzonen sehr genau an die tatsächliche Nutzung angepasst und somit höhere Einsparungen erzielt werden.

In Bild 2 ist der Wärme- und in Bild 3 der Stromverbrauch mit den entsprechenden Einsparungen dargestellt. Die Kostenreduzierung im Jahre 1997 im Vergleich zu 1996 beträgt bei Wärme (Bild 4) etwa 14 % und beim Strom (Bild 5) rund 11 %. Hier zeigt sich bereits der positive Effekt einer verstärkten Überwachung der Anlagen durch das Fachpersonal beim Betreiber und dem Contractor. Ab 2010 führt der Einsatz des BHKW zum Anstieg des Gasverbrauchs und einer deutlichen Reduzierung des Stromverbrauchs.

Aus den Stromkosten nach Bild 5 lassen sich keine Rückschlüsse auf den tatsächlichen Stromverbrauch ziehen. Hierbei müssen auch die Änderungen beim spezifischen Strompreis berücksichtigt werden, der im Jahr 2009 um 4 % gegenüber dem Vorjahr gestiegen ist.

Die spezifischen Stromkosten belaufen sich vom Jahr 1995 bis 2006 auf etwa 0,10 €/kWh. Im Jahr 2007 bis 2009 steigt dieser auf 0,133 €/kWh. Im Jahr 2010 bis 2013 kommt der große Sprung auf 0,19 €/kWh. Ab dem Jahr 2014 erhöht sich der Strompreis nochmals auf 0,25 €/ kWh Letzlich ergibt sich (Bilder 2 bis 5) bis zum Jahre 2001 ein stark fallender Wärme- und Stromverbrauch und damit eine Kostenreduzierung.

Energiespar-Contracting Phase II

Das Energiespar-Contracting Phase I sollte zum Jahresende von 2004 auslaufen. Während dieser Zeit wurde vom Nutzer und Contractor immer öfter eine verlässliche Steuerung und Regelung für alle technischen Anlagen gefordert. Ursache für ein häufiges Stillstehen der Anlagen lag an den desolaten elektrischen Schaltschränken. Mitte 2004 wurden vom Contractor ein Konzept und eine Grobanalyse mit den geschätzten Investitionskosten zum Austausch aller notwendigen Schaltschränke geliefert. Da die hohen Investitionskosten innerhalb von 10 Jahren nicht zu refinanzieren waren, ist vom Landesamt Vermögen und Bau, Amt Stuttgart (VBA), ein Teil davon mitfinanziert worden. Der bereits bestehende Vertrag wurde durch einen Nachtrag erweitert. Die Vertragslaufzeit sollte maximal bis zum Jahre 2012 laufen. Die prognostizierten Einsparungen lagen bei 220.000 €/a.

Eine besondere Herausforderung bei der Durchführung der Maßnahmen war, dass wichtige Umbauarbeiten nur nachts oder am Wochenende erledigt werden konnten.

Die Abrechnung für 2000/
2001 ergab folgende Einsparungen:

Auch in diesem Fall wurde die Prognose um 24 % übertroffen. Die Laufzeit des Energiespar-Contracting-Vertrages (variable Laufzeit) reduzierte sich dadurch deutlich, so dass er schon 2011 auslief.

Weitere Maßnahmen während der Contracting-Laufzeit:

Im Jahre 2008 musste im Kern 1 durch Vermögen und Bau, Amt Stuttgart, eine neue Kältemaschine eingebaut werden, was zu einer deutlichen Verbesserung des Wirkungsgrades (COP) führte. Anstatt eines Schraubenverdichters wurde eine Magnetturbo-Kältemaschine gewählt, die sehr genau nach dem Bedarf geregelt werden kann. Dieser Wechsel führte dazu, dass die Kältemaschine 4 nur noch zu extremen Spitzenlasten in Betrieb gehen musste. Durch die variable Vertragslaufzeit konnte auf eine Anpassung der Baseline für Strom verzichtet werden.

Das Wassermanagement war beim Energiespar-Contracting nicht berücksichtigt. Um die Probleme bei der Befeuchtung (Bakterien, Keime, Legionellen) der Zuluft zu beseitigen, wurde beim Austausch der Befeuchter nicht auf das übliche Wäscherprinzip zurückgegriffen, sondern auf das Hightech-Prinzip des Hochdruckbefeuchters (HDB). Beim HDB steigen die Investitionskosten gegenüber einem Wäscher durch die erforderliche Installation einer Umkehrosmoseanlage. Die Betriebskosten sind dagegen deutlich geringer. Die Amortisationszeiten für einen HDB im Vergleich zum Wäscher liegen bei etwa sechs Jahren. Da im LKA die Umkehrosmoseanlage schon vorhanden war, entschied man sich für den HDB. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber anderen Befeuchterarten ist seine herausragende Hygiene. Beim Befeuchten wird das VE-Wasser über Düsen mit etwa 100 bar eingesprüht und dabei vernebelt. Das gesamte eingesprühte Wasser wird von der Zuluft zu 100 % aufgenommen, es treten somit keine Wasserverluste auf. Nach dem Befeuchtungsvorgang ist die Befeuchtungskammer absolut trocken. Legionellen, Keime oder Bakterien wird somit keine Entfaltungsmöglichkeit gegeben. Jährlich durchgeführte Hygieneprüfungen bestätigen dies.

Intracting Phase I

Im Jahre 2008 stand der kleine Heizkessel (1.100 kW) zum Austausch an, da dieser am Wärmetauscher Heizungswasser verlor. Die einfachste Lösung wäre ein Kesseltausch im Verhältnis 1:1 gewesen.

Die Landesregierung hat mit dem Impulsprogramm „Klimaschutz“ Wege geschaffen, um hochwertige Anlagen intern durch Energiekosteneinsparungen zu refinanzieren. Das in Auftrag gegebene Gutachten über Kosten und Varianten lieferte den Nachweis, dass ein erdgasbetriebenes BHKW sinnvoll wäre. Um die Laufzeiten für das BHKW zu erhöhen, wurde eine Absorptionskältemaschine (AKM) nachgeschaltet, die die überschüssige Wärme im Sommer zur Kälteerzeugung nutzen kann. So wurde aus der geplanten KWK-Anlage eine Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungs-Anlage (KWKK) (Bild 6). Die Investitionskosten lagen bei 1,35 Mio. €. Um diese Kosten zur refinanzieren, wurden etwa 7.000 Bh im Jahr kalkuliert. Durch die zusätzliche Ausführung des BHKW als Netzersatzanlage (NEA) zur Unterstützung der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) konnte die Strom-Versorgungssicherheit im LKA gesteigert werden. Zudem werden von der benötigten Wärme durch das BHKW 55 % abgedeckt, bei der Kälte sind es 30 %.

Der Investor für die o.g. Kosten ist das Land Baden-Württemberg – vertreten durch Vermögen und Bau, Amt Stuttgart. Die jährlichen Einsparungen werden mit 250.000 €/a beziffert. Diese Einsparungen ergeben sich zum einen aus dem verringerten Strombezug vom EVU und zum anderen für die Rückvergütung des erzeugten Stroms. Die Amortisationszeit beträgt etwa 5,4 Jahre.

Durch den Betrieb der Anlage können 80 MWh Stromverbrauch bei den bestehenden Kältemaschinen eingespart werden. Die daraus resultierende Ökobilanz ergibt eine CO₂-Einsparung von 125 t/a.

Der Wärmeverbrauch (Bild 2) und die Wärmekosten (Bild 4) sind mit Einsatz des BHKW etwa um 35 % gestiegen. Der Strombezug sowie die Stromkosten reduzieren sich im gleichen Zeitraum um 42 %. Die Stromeinsparungen fallen noch deutlicher aus, wenn man die gemessenen Stromleistungen (Bild 7) betrachtet. So ist die gemessene Stromleistung von 2000 bis 2009 um 148 % gestiegen. Würde man die Stromleistung vom Jahr 2000 bis 2014 linear extrapolieren, so ergäbe sich im Jahre 2014 eine Stromleistung von 640 kW. Die tatsächliche vom EVU bezogene Stromleistung im Jahr 2014 lag jedoch nur bei 290 kW. Trotz des niedrigen Stromverbrauchs sind die Kosten (Bild 5) noch relativ hoch, da die spezifischen Stromkosten im betrachteten Zeitraum von 0,18 €/kWh auf 0,25 €/kWh angestiegen sind. Der Stromverbrauch ist durch die technische Aufrüstung im LKA durch Computer, Laborgeräte und Serverkapazitäten stark angestiegen und wird weiter steigen. Beim Stromverbrauch macht sich auch die Verbesserung des Kältenetzes bemerkbar. Die Kälteerzeugung und die Nutzenübergabe sind jetzt voneinander getrennt, weshalb die Kältemaschinen weniger in Betrieb gehen müssen. Einen großen Anteil dabei hat der neue Kältespeicher mit 15 m³ Inhalt.

Durch den Einsatz der AKM wird einerseits viel Strom zur Kälteerzeugung gespart andererseits für die Rückkühlung aber mehr Wasser (Bild 8) verbraucht. Das Rückkühlwerk in Hybridbauweise ist unter dem Erdniveau zu finden, wobei die Wärmetauscher bei Spitzenlasten mit VE-Wasser besprüht und gekühlt werden. Die in den Hinterhof ausgeblasene Luft ist absolut keimfrei und bildet keine Nebelschwaden.

Intracting Phase II

Im Jahr 2012 wurde dem VBA die Freigabe für den Austausch der restlichen alten Gaskessel (2 x 2,1 MW) erteilt. Der jährliche Wärmebedarf für die fünf Liegenschaften beträgt 6.100 MWh/a, wovon das BHKW etwa 3.400 MWh/a abdeckt. Aus Kostengründen wurde neben einem Brennwertkessel ein Niedertemperaturkessel eingebaut. Die Investitionskosten betrugen 605.000 €. Die Einsparungen beim Wärmeverbrauch sollten bei 460 MWh/a liegen. Die neuen Kessel wurden im Jahr 2013 in Betrieb genommen. Aus Bild 2 lässt sich der Einfluss der neuen Kessel auf den Wärmeverbrauch gut ablesen. Die Energieeinsparung vom Jahr 2012 auf 2013 beträgt 9,2 %. Die Einsparungen können nicht die gewohnten Prozentzahlen erreichen, da das BHKW über die Hälfte des Wärmeverbrauchs abdeckt und die Kessel nur die Spitzenlasten abdecken müssen.

Fazit

Betrachtet man die Verbrauchsentwicklung vor allen Maßnahmen im Jahr 1995 und heute, wird deutlich, dass der Wärmeverbrauch im Jahr 1995 von 7.178 MWh/a auf 9.345 MWh/a im Jahr 2014 angestiegen ist. Beim Stromverbrauch sind die Verhältnisse genau umgekehrt. Hier wurden im Jahr 1995 noch 5.726 MWh/a und im Jahr 2014 gerade noch 2.544 MWh/a verbraucht, obgleich die elektrische Leistung stetig gestiegen ist. Auch wenn der Wasserverbrauch nicht in die Maßnahmen einbezogen waren, sind die Werte im betrachteten Zeitraum von 16.508 m³/a auf 12.9117 m³/a gesunken. Die Minderung beim Wasserverbrauch ist u.a. auf die verbesserten Regelstrategien in den RLT-Anlagen zurückzuführen. Der moderate Anstieg beim Wasserverbrauch seit 2010 ist auf die Rückkühlung der AKM begründet.

Die Einsparungen durch die durchgeführten Contracting-Maßnahmen sind Tabelle 1 zu entnehmen.

Durch die kombinierten Maßnahmen konnten von Anfang 1997 bis Ende 2014 insgesamt 5,32 Mio. € und 1.900 t CO₂ eingespart werden. Hierzu waren Investitionen von etwa 3,73 Mio. € erforderlich. Somit wurden seit 1996 Ausgaben von 1,59 Mio. € eingespart.

Ausblick

Durch weitere Investitionen könnten der Wärme- und Kälteverbrauch nochmals deutlich reduziert werden. Bei der Wärmeverteilung sollten die alten Heizungspumpen gegen hocheffiziente Pumpen ersetzt werden. Dies bedingt auch den Austausch der alten Heizungsverteiler sowie die Anpassung der Verrohrung. Bei der Kälteverteilung sollten die Verbraucher von der Kälteerzeugung hydraulisch getrennt werden.

Ein Hauptgrund für die – trotz Energiespar-Contracting – nach wie vor hohen Verbräuche liegt in der Gebäudehülle. Es müsste die komplette Fassade erneuert und nach neuesten Vorgaben der EnEV gedämmt werden. Mit der Fassade müssten auch die Fenster erneuert werden. Die geschätzten Kosten belaufen sich auf etwa 7 Mio. €. Mit diesen Sanierungsmaßnahmen müssten sich dann etwa 20 % Energie einsparen lassen. Diese Maßnahmen hätten weitere Verbrauchsreduzierungen beim Strom zur Folge. Ein Umbau der Hochdruck-Klimaanlage auf Niederdruck scheitert an den immensen Kosten und der schlechten Zugänglichkeit der Lüftungskanäle in den Steigschächten. Ausgehend von jährlichen Wärme- und Stromkosten von etwa 1,1 Mio. € würde sich für diese Maßnahmen eine Amortisationszeit von 32 Jahren ergeben.