Energiedesign 2020

Während die aktuelle Energie­einsparverordnung, die EnEV 2014, für Nichtwohngebäude kaum strenger ist als ihre Vor­gän­gerin – hier haben sich vor allem die Berechnungsmethoden geändert –, stellt die kommende Fassung wesentlich striktere Anforderungen an Neubauten oder bei Kernsanierungen. Ab Januar 2016 ist eine Unterschreitung des Primärenergiebedarfs im Neubau um 25 % im Vergleich zu 2009 gefordert. Grundlage der Regelungen ist die auf euro­päischer Ebene beschlossene massive, nachhaltige Reduzierung der Kohlenstoffdioxid-Emissionen.

Strom, Wärme und Kälte aus regenerativen Quellen

Zudem fordert das Erneuerbare-Energien-Wärme-Gesetz ­(EEWärmeG), dass ein Großteil des industriellen Wärme- und Kältebedarfs durch regenerative Energien gedeckt werden muss – etwa durch die konsequente Nutzung von Erdwärme aber auch von Abwärmequellen in eigenen Prozessen. Alternativ kann das EEWärmeG auch durch die Unterschreitung der jeweils aktuellen EnEV um 15 % erfüllt werden. Spätestens mit Inkrafttreten der EnEV 2016 wird sich so jedoch ein Niedrigstenergiestandard ergeben, der in vielen Bereichen über wirtschaftlich sinnvolle Maßnahmen hinausgeht und Bauherren dringenden Anlass gibt, über den Einsatz neuer Technologien nachzudenken.

Für Unternehmen – unabhängig von ihrer Größe – gilt es, diese gegebenen Rahmenbedingungen aufzugreifen und Antworten zu finden, wie sie langfristig sicher und zugleich wirtschaftlich produzieren können. Sinnvolle Lösungen und Chancen bietet eine dezentrale Energieversorgung – also eine eigene Stromer­zeu­gung am Standort. Die Bedingungen dafür könnten kaum besser sein als hierzulande. Denn Deutschland ist führend in regenerativer Energieerzeugung. Mit der Nutzung von Photovol­taik, Kraft-Wärme-Kopplung und – eingeschränkt – Windkraft, rückt das Ziel, unabhängiger vom öffentlichen Versorger zu sein, in greifbare Nähe.

Effiziente Pharma­produktion

Als Beispiel werden im Folgenden Varianten der Energiebereitstel­lung für die Produktion eines flüssigen Pharmazeutikums vergli­chen. Der Batchprozess, in dem das Medikament hergestellt wird, erfordert zunächst das Aufheizen der Ausgangsstoffe auf circa 90 °C. Vor dem Abfüllen muss das Medikament auf 20 °C abgekühlt werden. Vergleichsbasis für eine Umstellung war der bisherige Prozess, bei dem das Aufheizen per Gaskessel und das Abkühlen mit Kompressionskältemaschinen erfolgte.

Die erste Variante war die Integration einer Freikühlung, die am Standort während 50 % des Jahres eine vollständige Kühlung über die Außentemperatur statt über Kompressionskälte ermöglicht. In einer zweiten Va­riante wurde berechnet, welche Effekte sich ergeben, wenn die Abwärme, statt sie an die Außen­luft abzugeben, zum Aufheizen des Batch­prozesses oder zur Heiz­wärmeerzeugung genutzt wird. Das Medikament wird dazu in einem zusätzlichen Wärmetauscher vor der Abfüllung auf 25 °C vorgekühlt, die Wärme wird in einem 5000-l-Schichten-Wärmespeicher zwischengespeichert. Der Wärmespeicher dient neben der Wärmebereitstellung für den Aufheizprozess ebenfalls als hydraulische Weiche: An ihn sind sowohl die Bestandsgaskessel als Wärmelieferanten als auch die raumlufttechnischen Anlagen sowie die statische Heizung des benachbarten Bürogebäudes angeschlossen.

Die weitere Abkühlung des Me­dikaments auf die endgül­ti­ge Abfülltemperatur von 20 °C erfolgt in einem weiteren Wär­me­tauscher mit Kaltwasser (6/12 °C). Dieses wird über Kompressionskälte bzw. freie Kühlung erzeugt. Ein 5000-l-Kältespeicher erweitert den Nutzungszeitraum der Freikühlung, indem er die kühleren Tem­pe­raturen der Nachtstunden nutzbar macht. Zudem fängt er Belastungsspitzen ab und er­möglicht den effizienteren, gleich­mäßig durchgängigen Betrieb der Kompressionskälte­maschinen.

BHKW plus Absorptionskältemaschine zur Wärme- und Kälteerzeugung

Einen ganz anderen Ansatz verfolgt die dritte Variante: Hier werden die Prozess- und die Heizwärme hauptsächlich durch ein Blockheizkraftwerk (BHKW) mit 207 kW_th und 142 kW_el erzeugt, die Abwärme des Prozesses wird nicht genutzt. Auch hier ist ein 5000-l-Wärmespeicher vorgesehen, um eine lange Laufzeit des BHKW zu erreichen. Spitzenlastwärme wird durch die Bestandsgaskessel erzeugt. Im Sommer wird die Wärme des BHKW zum Antrieb einer Absorptionskältemaschine genutzt, welche die Kälte für den Abfüllprozess erzeugt. Durch einen Kältespeicher wird auch hier ein gleichmäßiger Betrieb sichergestellt. Die Spitzenlastkälte stellen die beiden Bestands-Kompressionskältemaschinen bereit. Im Winter erfolgt auch hier die Kälteerzeugung mit freier Kühlung.

Maßgebend für die Entscheidung, die dritte Variante zu realisieren, war schließlich die Wirtschaftlichkeitsberechnung: Denn trotz der etwa 300 000 € höheren Investitionssumme für die Errichtung des BHKW sank die auf Basis der erwarteten Preissteigerungsraten für Gas und Strom ermittelte Amortisationszeit um 40 % – von 7,5 auf 4,5 Jahre. Vergleicht man die Entwicklung der Energiekosten für alle Varianten, zeigt sich, dass bereits durch die Implementierung einer Freikühlung (Variante 1) die jährlichen Kosten um 30 % günstiger sind als bei einer theo­retischen Bestandserweiterung mit bishe­riger Technik. Durch die Kombination von BHKW und Absorptionskältemaschinen lässt sich eine weitere Einsparung von bis zu 15 % erreichen. Auch die Kohlenstoffdioxid-Emissionen sinken durch den Einsatz des BHKW nachhaltig.

Grenzen regenerativer Stromversorgung

EnEV und EEWärmeG fordern jedoch zusätzlich erneuerbare Quellen für Strom und Wärme und stellen damit Anlagenbetreiber vor weitere Herausforderungen. Denn die regenerative Energieversorgung hat Grenzen: Vor allem die Stromversorgung ist schwierig. Soll im Jahresmittel der Bedarf der beschriebenen Produktion per Photovoltaik-Anlage (PV-Anlage) gedeckt werden, ergibt sich dafür ein Be­darf von etwa 40 000 m² Auf­stell­fläche. Die Dachfläche beträgt jedoch nur 5000 m². Der­zeit ist die Auslagerung der PV-Anlage neben das Gebäude aber gemäß EnEV genehmigungs­rechtlich unmöglich. Hier wäre der Gesetz­geber gefragt. Zudem unterliegt die Stromerzeugung – ob mit Sonne oder Wind – starken Schwan­kungen. Während etwa im Sommer tagsüber zu viel Strom erzeugt wird, reicht die solare Einstrahlung im Winter häufig tagsüber nicht aus; nachts kann kein Strom erzeugt werden. Effektive Stromspeicher wären also notwendig. Derzeit ist aber keine Technologie mit Marktreife verfügbar.

Für den dauerhaften Erfolg der Energiewende werden praxistaugliche Stromspeicher – sowohl für das langfristige Speichern als auch für den kurzfristigen Leistungsspitzenaus­gleich – notwendig sein.

Aktuel­le Speicherlösungen wie „Redox-Flow“-Batterien sind bei den Investitionskosten wie auch bei der Energiedichte und der Le­bens­erwartung wirtschaftlich noch unrentabel. Demand Site Management, also die Steuerung der Produktion nach dem Angebot regenerativer Energien, ist auch in den Zeiten von Industrie 4.0 nur begrenzt möglich.

Intelligente Energie­-ver­sorgungssysteme

Die Lösung für einen sicheren wirtschaftlichen Betrieb lautet darum aktuell: intelligente – d.h. insbesondere flexible – und mo­dulare Versorgungssysteme. So verfügt das oben genannte Beispiel mit BHKW über insge­samt fünf Wärmeerzeuger, Redundanz ist gegeben.

Das BHKW kann bei Bedarf auch als Notstromaggregat fungieren. Die Kälteerzeugung kann varia­bel mittels Absorptions- oder Kompressionskältemaschinen erzeugt werden. Zusätzlich sind Pufferspeicher für Wärme und Kälte vorhanden, die bei Kurzzeitausfällen z. B. den Abschluss des Batchprozesses ermög­lichen. Energetisch entsteht so eine maximale Flexibilität, die sogar eine Reaktion auf Strom- und Gaspreise möglich macht: Bei hohen Strom- und günstigeren Gaspreisen erzeugt das BHKW eigenen Strom, Kälte wird mit der Absorptionskältemaschine erzeugt. Bei günstigeren Strom- und höheren Gaspreisen wird im Sommer die Kälteer­zeugung auf die strombetriebenen Kompressionskältemaschinen verlagert. Für die Steuerung wird idealerweise ein Energiemanagementsystem inklusive Visualisierung der Leistungsdaten, Wirkungsgrade und Energiekosten benötigt.

Fazit

In welche Richtung die Entwick­lung gehen wird, ist schwer vorhersehbar. Unternehmen brauchen darum individuelle Lösungen, die ihre aktuellen Ansprüche erfüllen und bestmöglich für die Zukunft gerüstet sind. Essentielle Basis zukünftiger Energiever­sor­gungssysteme ist ein individueller ‚Masterplan Energie‘, um bevorstehende Änderungen im Prozess, am Gebäude oder recht­licher Art als Chance zu nutzen. Er zeigt den energetischen Optimierungsbedarf an Gebäuden und Anlagen, Abwärmepotentiale sowie den Mindestenergiebedarf der Produktionsprozesse auf, bestimmt die notwendigen Investitionen und ermöglicht so eine langfristige Planung der Umsetzung intelligenter Versorgungs­sys­teme.