Niedrige Rücklauftemperatur im Wärmenetz | ehp 9/2020 Fachthema

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Die Systemplanung und Komponetenauswahl bestimmen die Effizienz und Wirtschaftlichkeit einer Anlage
Niedrige Rücklauftemperaturen
durch Planungs- und
Systemkompetenz in Wärmenetzen
Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bietet enormes Potenzial, CO 2 -Einsparungen und Energieeffizienz
von Wärmenetzen zu maximieren. Ihr optimales Leistungsniveau erreichen die Anlagen
in einem intelligenten Zusammenspiel aller integrierten Komponenten. Das gelingt dann, wenn
Planungsprozess und Komponentenauswahl die spezifischen Anforderungen an das spätere
Versorgungssystem effektiv umsetzen.
Um die im Klimaschutzgesetz verankerten
Ziele zu erreichen, muss
die Wärmewende konsequent vorangetrieben
werden. Die zentrale
Wärmebereitstellung und -verteilung
über moderne Wärmenetze
kann hier aus ökologischer und
ökonomischer Sicht einen wertvollen
Beitrag leisten.
Energieversorger, Contracting-
Anbieter, Betreiber kommunaler
Wohn- und Verwaltungsgebäude
sowie Gewerbe und Industrie mit
einer hohen Wärmegrundlast profitieren
von den technischen und
wirtschaftlichen Vorteilen, etwa
den günstigeren Wärmegestehungskosten
in Heizzentralen. Zudem
können vorhandene, zentrale
(Ab-)Wärmequellen mit niedrigem
Temperaturniveau durch Großwärmepumpen
ins Wärmenetz eingebunden
werden. Gleiches gilt für
große saisonale Speicher mit entsprechend
hoher Kapazität, die nur
sehr geringe Wärmeverluste aufweisen
und Wärme aus Solarthermieanlagen
über mehrere Monate
bis in den Winter speichern können.
Auch hohe Wärmemengen, die beispielsweise
über die Tiefengeothermie
gefördert werden können, lassen
sich effizienter nutzen.
Der Einsatz moderner KWK-Technologie
hebt zusätzliche Potenziale.
In einem langfristig nachhaltigen
Energiesystem überzeugt die Leistung
der gekoppelten Strom- und
Wärmeerzeugung bei gleichzeitig
maximaler Flexibilität hinsichtlich
Anlagengröße und Einsatzart sowohl
in zentralen als auch dezen-
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tralen Lösungen. Neben der Steigerung
des Stromertrags wird die
Nutzung industrieller Abwärme
möglich. Ein kontinuierlich hoher
Wärme- und Strombedarf ist dabei
ideal für das Erreichen bestmöglicher
Nutzungsgrade der Anlagen.
Die außerordentlich gute Brennstoffeffizienz
sorgt für eine messbar
bessere CO 2 -Bilanz der gekoppelten
Erzeugung gegenüber einer getrennten
Erzeugung von Strom und
Wärme.
Planung und Auslegung
bestimmen die Anlagenwirtschaftlichkeit
Der Grundstein für den späteren
wirtschaftlichen und klimaschonenden
Betrieb einer KWK-Anlage
wird bereits bei der Planung gelegt.
Nur ein angemessen dimensioniertes
Blockheizkraftwerk (BHKW)
kann auch eine effiziente BHKW-
Anlage sein – und dafür muss ihr
Nutzungsgrad möglichst hoch
liegen. Eine BHKW-Anlage wird
daher über die Volllastbetriebszeit
ausgelegt. Diese liegt typischerweise
zwischen 4 000 und 5 000
Betriebsstunden im Jahr. Ist ein
BHKW auf eine zu hohe Leistung
ausgelegt, können die notwendigen
Volllaststunden nicht erreicht
werden. Bei zu geringen zugrundegelegten
Stundenlaufzeiten nehmen
in der Folge Verschleiß und
Wartungsbedarf der Anlage zu.
Strom und Wärme werden dann zu
teuer generiert.
Ein BHKW wärmegeführt auszulegen,
ist meist vorteilhaft. Zum
einen schwankt der Wärmebedarf
im Tagesverlauf nicht so stark wie
der Strombedarf. Zum anderen
kann produzierter, ungenutzter
Strom in das öffentliche Netz eingespeist
werden. Wärmegeführte
BHKW werden über die Spitzenlast
oder die Grundlast dimensioniert.
Ist die Grundlast maßgebend,
wird für Spitzenlastzeiten eine zusätzliche
Wärmequelle, etwa ein
Heizkessel, zugeschaltet.
Effizienz resultiert aus einer
belastbaren Datenbasis
Größere (auch kommunale) Unternehmen
sind zur Durchführung
und Umsetzung von Energieaudits
verpflichtet und verfügen folglich
über eine solide Datengrundlage, die
Aufschluss gibt über den realen
Wärmeverbrauch. Diese Informationen
bilden die Basis einer anforderungsgerechten
Anlagenplanung
und -auslegung. Liegt keine belastbare
vollständige Datenerfassung
zum elektrischen und thermischen
Bedarf im Einsatzbereich vor oder
fehlt diese gänzlich, stellt dies zuständige
Planer – vor allem bei
energetischer Modernisierung oder
Sanierung im Bestand – vor große
Probleme.
„Aus unserem Projektgeschäft
wissen wir nur zu genau, dass die
Effizienzprobleme einer Anlage
meist daraus resultieren, dass ohne
Datenbasis geplant werden musste,
und die Anlage den Anforderungen
daher häufig gar nicht entsprechen
kann. Was zu Projektbeginn fehlt,
kann später teuer werden“, erklärt
Sven Mahlitz, Vertriebsleiter Energiesysteme
der Yados GmbH. Dies
gilt sowohl für überdimensionierte
als auch für unterdimensionierte
Anlagen.
Yados unterstützt Planer und
Betreiber deshalb mit fundierten
Voranalysen zur Ableitung der
technischen Notwendigkeiten neuer
oder zu modernisierender Anlagen.
Ergänzende, anlagenoptimierende
Komponenten, z. B.
zusätzliche Wärmeübertrager für
weitere Auskopplungen bei der
Optimierung eines BHKW, können
so planungs- und betriebsseitig eindeutig
begründet werden. Spezifische
Bedarfsgrößen können durch
den Einbau und die Auswertung
von Wärmemengenzählern ermittelt
werden. Zur „technischen Fehlervorwegnahme“
wird zudem
Bild 1. Yados unterstützt Planer und Betreiber bei Neubau oder Modernisierung
von der fundierten Voranalyse bis zur maßgefertigten Energieeffizienzzentrale
eruiert, wo und wann welcher
Abnehmer wieviel thermische
Energie verbraucht. Für jeden
Heizkreis wird der Wärmelauf gesondert
analysiert, um diesen später
bedarfsspezifisch bedienen zu
können.
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Eine systematische Analyse sollte
auch dann vorgenommen werden,
wenn nur einzelne Komponenten
einer Gesamtanlage erneuert
werden. „Wird beispielsweise ein
Heizkessel durch einen Brennwertkessel
ohne Kenntnis der bedarfsspezifischen
Anforderungen ersetzt,
verpufft im schlimmsten Fall
der Brennwertnutzen. Das ist aus
betriebswirtschaftlicher Sicht ärgerlich
und trägt nicht zur Umweltentlastung
bei“, so Mahlitz.
Für die Analyse selbst wird ein
projektspezifischer Zeitrahmen gewählt.
Optimal ist eine Datenerfassung
über eine Laufzeit von einem
Jahr, um sowohl die Lasten der
Sommer- als auch der Winterzeit
ableiten zu können. Ist dies nicht
möglich, sollten Grund- und Spitzenlast
zumindest über einen Zeitraum
von sechs Monaten erfasst
werden, vorzugsweise über die
Sommermonate.
Niedrige Rücklauftemperaturen
für noch mehr
Wirtschaftlichkeit
Yados begleitet Planer und Betreiber
bei der Konzeptionierung von
Energiezentralen (Bild 1) mit dem
Ziel, diese auf den Stand von zukunftsfähigen
Effizienzzentralen
zu heben. Die Anlagengesamtwirkung
steht dabei im Fokus. Dafür
wird in modernen Wärmenetzen
eine möglichst hohe Spreizung der
Vor- und Rücklauftemperaturen bei
möglichst niedriger Rücklauftemperatur
angestrebt. Sie sind entscheidend
für den wirtschaftlichen
Betrieb und den Nutzungsgrad des
Systems und beeinflussen maßgeblich
u. a. die thermische Übertragungskapazität,
den Volumenstrom,
vorhandene Strömungs- und
Wärmeverluste, den Wirkungsgrad
der KWK und den elektrischen
Pumpenaufwand.
„Eine wirksame Optimierung des
Rücklaufs setzt die genaue Kenntnis
der Verbraucher voraus. Das heißt,
wenn wir wissen, welches Temperaturniveau
von welchen Abnehmern,
etwa in einem Verwaltungs- oder
Industriegebäude, benötigt wird,
können wir feststellen, ob und wo es
‚Effizienzkiller‘ gibt, die im Betrieb
wenig Wärmeenergie fordern und
das niedrige Niveau der Rücklauftemperatur
dadurch gefährden“, erklärt
Mahlitz. Das Gesamtsystem
und seine Komponenten werden
entsprechend anforderungs- und
anwendungsabhängig geplant.
Systemkompetenz: Effizienz
ist mehr als die Summe der
Komponenten
Standardhydraulik gilt als einfach,
verlässlich und für den Regelbetrieb
ausreichend. Ein Irrtum der teuer
werden kann. Arbeiten die integrierten
Komponenten nicht optimal zusammen,
ist die Hydraulik nicht
ausbalanciert oder werden Rücklauftemperaturen
im Kreislauf „zerstört“,
kann auch die beste Technologie
nicht viel ausrichten, die
theoretisch hohen Effizienzpotenziale
lassen sich in der Praxis nicht
ausschöpfen. Vor diesem Hintergrund
gewinnt die objektbezogene
Anlagenplanung und -fertigung mit
hocheffizienten und gleichzeitig
komplexitätsredu zierten Lösungen
an Relevanz. Maßgeschneiderte
Systemlösungen ermöglichen es,
das Leistungsmaximum aus den
Einzeltechnologien im Verbund zu
erschließen. „Durch Kenntnis der
örtlichen, technischen und bedarfsabhängigen
Anforderungen können
wir passgenaue Anlagen fertigen
und liefern“, so Mahlitz. „Gleichzeitig
verzichten wir auf das marktübliche
Baukastenprinzip und bieten Planern
die Möglichkeit, Produkte individuell
nach den jeweiligen objektspezifischen
Anforderungen und
Gegebenheiten zu konfigurieren.“
Für den Energieeffizienzverteiler
Yado-Share beispielsweise sind sowohl
die Anschlussrichtung als
auch die Anzahl der Heizkreise frei
wählbar. Die mit zwei getrennten
Rücklaufsammlern ausgestattete
Maßanfertigung wird exakt nach
Planungsvorgaben mit vormontierten
Bauteilgruppen, z. B. Drei-Wege-
Ventil mit Stellantrieb, Hocheffizienzpumpen
und Wärmezähler,
just-in-time gefertigt und geliefert.
Während Rückläufe üblicherweise
an einem Punkt im System zusammengeführt
und vermischt werden,
lassen sich die getrennten Temperaturströme
hier auf zwei Wegen
verteilen und energetisch nutzen.
Ein niedertemperierter Rücklauf
steigert den Wirkungsgrad der
Brennwertanlage und ein höher
temperierter Rücklauf kann parallel
als Vorlauf ins Versorgungsnetz
eingebunden bzw. einem Pufferspeicher
zugeführt werden. Das
senkt die Betriebskosten und spart
CO 2 -Emissionen. Zusätzlich reduzieren
anschlussfertig vormontierte
Komponenten Montagezeit und
-aufwand; das Fehlerrisiko beim
Aufziehen von Kabeln und Elektrik
entfällt.
Intelligente Steuerung
erhöht Primärenergieeinsparung
Eine stabile und versorgungssichere
Wärmeversorgung, in der unterschiedliche
Erzeugungstechnologien,
Energieträger und Verbraucher
integriert sind, erfordert eine intelligente
Steuerung per Leit- und
Kommunikationssystem (Bild 2).
Übergeordnete Steuerungssysteme
vernetzen sämtliche Anlagenkomponenten
– etwa Energiezentrale
mit BHKW, Wärmeübergabestation,
Heizungsverteiler und Trinkwassersystem
– und ermöglichen es,
vorhandene ökonomische und ökologische
Einsparmöglichkeiten zu
identifizieren.
Eine hochentwickelte Leittechnik
ist zentraler Teil des „Alles-aus-ei-
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Bild 2. Kontrolle, Flexibilität, Wirtschaftlichkeit: Yado-Link ermöglicht eine intelligente
Anlagensteuerung von der Erzeugung bis zur Verteilung
Bild 3. Das leicht verständliche Yado-Link-Monitoring-Konzept unterstützt
Anwender über aussagekräftige Kennzahlen und gewährt Zugriff auf alle relevanten
Daten und Informationen
ner-Hand-Portfolios“ von Yados. angesteuerten Anlagenteile und
„Yado-Link steuert konstant die Anlagenparameter liefern wesentliche
Kennzahlen und bieten Zugriff
komplette Anlagentechnologie. Das
übergeordnete, Bus-basierte Regelsystem
überwacht, erfasst und Temperaturen oder Drücke (Bild 3).
auf wichtige Informationen wie
analysiert alle relevanten Daten in Anlagenbetreiber und Techniker
Echtzeit. Auf dieser Basis können haben die Möglichkeit, die für sie
dann weitere konkrete Optimierungsmaßnahmen
abgeleitet wer-
zu überwachen und zu steuern. Im
relevanten Betriebsprozesse mobil
den“, erörtert Mahlitz.
Falle eines Falles wird eine Alarm-/
Die erfassten Betriebsstunden, Störmeldung an ein vordefiniertes
Energieflüsse und Verbräuche werden
transparent aufbereitet und Laptop, übertragen. Gegebenenfalls
Endgerät, z. B. Smart Phone oder
nutzerfreundlich visualisiert. Die kann per Fernwartung in die laufenden
Erzeugungs- und Verteilprozesse
eingegriffen werden.
Auf der sicheren Seite trotz
CO 2 -Bepreisung
Aufgrund hochentwickelter (Automotive-)Technologie
erfüllen BHKW-
Motoren umfassend aktuelle und
geplante gesetzliche Emissionsvorgaben.
Grundsätzlich unterstützen
BHKW-Anlagen die dringend notwendige
CO 2 -Einsparung – wenn
auch noch nicht ganz klimaneutral.
Der vielfach eingesetzte Brennstoff
Erdgas produziert zwar messbar
weniger CO 2 als Öl und Kohle,
bleibt aber ein zum größten Teil
fossiler Energieträger. Es ist jedoch
davon auszugehen, dass Erdgas(netzen)
zukünftig mehr und
mehr Synthesegase und Wasserstoff
beigemischt werden. Die Klimabilanz
kann sich damit weiter
verbessern.
Dennoch wird die beschlossene
CO 2 -Bepreisung (CO 2 -Steuer) auch
die Betreiber von BHKW-Anlagen
betreffen. So soll eine Tonne ausgestoßenes
CO 2 ab dem Jahr 2021 bereits
25 € kosten. Bis 2026 soll der
Preis nach und nach auf 60 €/t
steigen. Anlagenbetreiber können
sich jedoch über die im Vergleich
zu konventionellen Energieträgern
deutlich geringeren CO 2 -Kosten
freuen. Da sich die Bepreisung auf
das Inverkehrbringen bezieht, tragen
die Betreiber diese Kosten zudem
nicht direkt. Lediglich der
Brennstoff wird sich verteuern. Damit
wird die CO 2 -Bepreisung eher
zum Vorteil für KWK-Technologien,
die gasförmige Primärenergie nutzen
– und Blockheizkraftwerke
bleiben weiterhin eine wirtschaftlich
und ökologisch lohnende Investition.
Yados GmbH, Hoyerswerda
sven.mahlitz@yados.de
www.yados.de
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