Planung und Netzmanagement

Während der zunehmende Einsatz von erneuerbaren Energien und Maßnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz die Verbrauchs- und Emissionsbilanzen des Stromsektors kontinuierlich verbessern (vgl. UBA, Emissionsbilanz erneuerbarer Energieträger, 02/2017), liegt in der regenerativen Wärmenutzung mit leicht sinkenden Anteilen am Gesamtenergieverbrauch und stagnierenden CO₂-Werten ein weiterhin unerschlossenes Entwicklungspotential. Die baden-württembergische Gemeinde Teningen demonstriert, wie Nahwärmekonzepte als effektiver Hebel für Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit in der lokalen Wärmebereitstellung funktionieren können.

2012 prüfte die 11.700-Einwohner-Gemeinde nördlich von Freiburg erstmals die Machbarkeit einer dezentralen Nahwärmeversorgung für ihre zugehörigen Ortsteile. Heute sehen sich Initiatoren und beteiligte Parteien nach einem erfolgreich abgeschlossenen ersten Bauabschnitt und Auszeichnungen (u.a. des Fachverbandes Biogas sowie des Umweltministeriums Baden-Württemberg im Rahmen des Förderprogramms „Klimaschutz mit System“) in ihrer Entscheidung für den Nahwärmeausbau bestätigt. Mit der Integration neuer privater und kommunaler Anschlussnehmer können die energetische Effizienz und die Wirtschaftlichkeit des Netzbetriebes in der zweiten Bauphase sukzessive weiter optimiert werden. Rund 200 Haushalte, ein Schul- und Sportzentrum, zwei Kindergärten sowie das örtliche Freibad sind dadurch mit einer langfristig zukunftsfähigen Wärmelösung ausgestattet, die den Anforderungen an Versorgungsstabilität und weitgehender Wärmemarktunabhängigkeit entspricht. Auch das Klimaschutz­engagement der Gemeinde wird so weiter vorangetrieben.

Erfolgreiches Wärme­konzept mit regenerativem Energiemix

Für den Neu- und Ausbau eines Nahwärmenetzes brachte der Teninger Ortsteil Oberdorf mit zwei bereits bestehenden regenerativen Wärmeerzeugern gute Voraussetzungen mit.

Größter Wärmelieferant ist eine Holzhackschnitzelheizung im Schul- und Sportzentrum, die eine thermische Leistung von 600 kW_th generiert. Nachdem der Gebäudekomplex energetisch saniert wurde, konnten die vorhandenen Leistungskapazitäten nicht mehr ausgeschöpft werden und standen damit für die Versorgung zusätzlicher Wärmeabnehmer zur Verfügung. Der eingesetzte biogene Festbrennstoff stammt aus einem nahegelegenen Sägewerk, das bis zu 95 % der benötigten Heizmasse bereitstellt.

Daneben unterhält ein landwirtschaftlicher Betrieb am Ortsrand eine Biogasanlage mit einer Leistung von 250 kW_th. Bis zu 90 % der hier erzeugten Abwärme – mehrere Millionen Kilowattstunden Wärmeenergie pro Jahr – blieben in der Vergangenheit ungenutzt. Zudem werden eine Solarthermieanlage sowie ein Gaskessel mit 600 kW_th, der als Redundanzanlage in Spitzlastzeiten zuschaltbar ist, in die energetische Infrastruktur integriert.

Neben den günstigen Vorbedingungen für eine stabile Wärme-Grundlastversorgung machte die damalige Bedarfssituation auf der potentiellen Abnehmerseite ein neues lokales Wärmekonzept besonders attraktiv: Einerseits verfügte die Gemeinde als Hauptbetreiber des Nahwärmenetzes über mehrere kommunale Einrichtungen, deren Heizsysteme dringend modernisiert werden mussten. Gleichzeitig hatte der Stadtteil Oberdorf einen großen Gebäudebestand mit überwiegend sanierungsbedürftigen, strom-, gas- oder erdölbetriebenen Heizungsanlagen. Die Planungsbeauftragten konnten ihrer Wirtschaftlichkeitsberechnung somit eine ausreichend hohe Anschlussnehmerzahl für eine ökonomisch sinnvolle Projektumsetzung zugrunde legen. 

Investitionskosten senken, Wärmeverluste minimieren

Ziel der nachfolgenden Konzeptions- und Ausführungsprozesse war es, die besonderen Effizienzpotentiale, die sich aus den spezifischen Gegebenheiten in Teningen ableiten ließen, durch eine präzise Netzplanung und Integration von hochentwickelten Systemkomponenten zu erschließen. Als verantwortlicher Projektentwickler übernahm die in Rosenheim ansässige dme consult GmbH die technische Gesamtplanung und Koordination des Wärmenetzsystems sowie der Anlagentechnik. Das auf regenerative Energielösungen spezia­lisierte Unternehmen entwarf das vollständige Systemdesign für ein rund 6.000 m umfassendes Wärmenetz. Wie dieses bezogen auf Volumen und Effizienz so konzipiert werden kann, dass sich der benötigte Primärenergieeinsatz effektiv absenken lässt, war die Kernfragestellung.

Im Mittelpunkt stand dabei der Ansatz, die Netzvorlauf- sowie -rücklauftemperaturen durch eine möglichst hohe Spreizung dauer­haft auf einem optimalen Niveau zu halten. So ist es möglich, Pumpenleistungen und Rohrdimensionierungen zu reduzieren, um einerseits Investitionskosten in Material und Anlagentechnik einzusparen und andererseits wirtschaftlich sowie ökologisch belastende Wärmeverluste im Netz zu minimieren. Insbesondere bei einer Trassenführung mit niedrigerer Anschlussdichte, wie sie in ländlichen Regionen häufig gegeben ist, hat die Verringerung von energetischen Netzverlusten entscheidende Auswirkungen auf die Betriebseffizienz einer Nahwärmelösung. Auch die Art der verbauten Medienleitungen und die Qualität ihrer Dämmung spielen dabei eine wichtige Rolle: Duoleitungen (hier: Stahldoppelrohre) mit verstärkter Dämmschicht übertragen im Vergleich zu Einzelleitungen weniger Wärme an das umgebende Erdreich; spezifische Wärmeverluste können je nach Dimensionierung um bis zu 35 % gesenkt werden.

Anpassung und Optimierung – Leitsystem für die Netzsteuerung

Die wichtigste Hebelfunktion für die Effizienzverbesserung des Teninger Nahwärmenetzes hat neben der Leitungsplanung die Anlagentechnik. Sie entscheidet über die Details der Wärmespeicherung, -verteilung und -übergabe sowie der Bereitstellung von Warmwasser in den angeschlossenen Wohneinheiten. Nach Vorgaben der Planungsexperten von dme consult fertigte die Yados GmbH aus Hoyerswerda ein exakt abgestimmtes, rücklaufoptimiertes Komponentenportfolio und integrierte dieses gemeinsam mit den bereits bestehenden Energieerzeugern in ein übergeordnetes Leit- und Kommunikationssystem (Yado|Link).

Die besondere Herausforderung des Netzbetriebs in Teningen liegt in der Unterschiedlichkeit seiner Energiequellen: Unabhängig von der Art des verwendeten Energieträgers – Holz, Biogas oder Solarenergie – sowie der jeweiligen Leistungskapazitäten des Wärmeerzeugers, müssen alle Wärmeerzeuger miteinander kompatibel und stabil arbeiten, um die Versorgungssicherheit für jeden Anschlussnehmer des Nahwärmenetzes sicherzustellen. Hierfür waren zunächst komplexe technologische Kriterien der Datenübertragung und -auslesung zu erfüllen. Das eingesetzte LON-basierte Netzwerksystem ermöglicht eine ständige Steuerung und Überwachung des Gesamtnetzes, einschließlich seiner Energieerzeuger und Einspeisepumpen. Hierbei übermittelt die Regelungseinheit sämtliche anlagenrelevanten Daten an.

Das Leitsystem erfasst, analysiert und visualisiert in Echtzeit die Informationen an den integrierten Knotenpunkten des Wärmenetzes und steuert dabei alle Verarbeitungsprozesse zwischen den unterschiedlichen Energiequellen und den Wärmeverbrauchern. Abweichungen oder Störungen in den laufenden Erzeugungs- und Verteilprozessen können so unmittelbar erkannt und ohne Zeitverzögerung behoben werden. Gleichzeitig dient das Leitsystem der permanenten Optimierung der Anlagenfahrweise in Abhängigkeit zum jeweiligen Nutzerverhalten sowie der Ausregelung der Rücklauftemperaturen, die per Fernwartung während des Netzbetriebs vorgenommen werden können. Alle Übermittlungsvorgänge basieren auf einem speziellen Verschlüsselungsverfahren, das eine maximale Datensicherheit gewährleistet, das System vor unbefugten Eingriffen von außen schützt und die Versorgungsstabilität des Wärmenetzes maßgeblich unterstützt.

Die präzise Anpassungsfähigkeit des Systems an sich verändernde Bedarfsgrößen zählt zu den relevantesten Faktoren für eine möglichst effiziente Energienutzung. Mit Blick auf etwaige Fördermöglichkeiten, beispielsweise durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA), sind geeignete Leit- und Kommunikationssysteme zusätzlich bedeutsam: Sie gelten als Voraussetzung für die Förderfähigkeit von Einzeltechnologien, -komponenten und Gesamtsystemen im Rahmen der „Modellvorhaben Wärmenetze 4.0“, die seit dem 1. Juli 2017 zur systemischen Förderung im Bereich Wärmeinfrastruktur eingeführt werden.

Nahwärme: Vorteilskonzept für die Anschlussnehmerseite

Von dem in der südbadischen Gemeinde umgesetzten Ef­fi­zienz­kon­zept profitieren die Anschlussnehmer gleich mehrfach: Der regenerative Energiemix, einschließlich der fossilen Redundanzanlage sowie der drei angebundenen Pufferspeicher mit insgesamt 54 m³ Fassungsvermögen, gewährleistet eine hohe Versorgungssicherheit bei gleichzeitig stabilen Wärmegestehungskosten, die sogar noch etwas unterhalb der Energiemarktpreise für konventionelles Heizen mit Erdöl oder Erdgas liegen. Zusätzlich entfallen Raumbedarf und Wartungsaufwände für die zugehörigen Speichertanks. Auch die Trinkwarmwasserversorgung der angeschlossenen Ein- und Mehrfamilienhäuser konnte im Zuge des Netzausbaus modernisiert werden: Den Haushalten stand zur Option, den Einbau der Fernwärmeübergabestation mit einem Warm­was­ser­be­rei­tungs­sys­tem (Speicherlade- oder Durchflusssystem) zu kombinieren. Platz- und Effizienzvorteile ergeben sich auch hier aus der hochentwickelten Anlagentechnologie und dem möglichen Verzicht auf Warmwasserspeicher.

Fazit

Stehen für den Einsatz von Nah­wärme geeignete regenerative Energiequellen zur Verfügung und werden Netzlösungen unter Berücksichtigung von relevanten Effizienzkriterien geplant, umgesetzt und betrieben, lassen sich weitreichende ökonomische wie ökologische Potentiale erschließen. Diese spiegeln sich insbesondere in einer deutlich verbesserten energetischen Verbrauchs- und Emissionsbilanz wider: Im Fallbeispiel Teningen konnten allein im Jahr 2016 durch den Netzbetrieb 351.000 l Heizöl sowie 1.100 t CO₂ eingespart werden.