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Niedrige Rücklauftemperatur im Wärmenetz | ehp 9/2020 Fachthema

Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bietet enormes Potenzial, CO2-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.

Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bietet enormes Potenzial, CO2-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.

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FACHTHEMA<br />

ANSCHLUSS-/KUNDENANLAGEN<br />

Die Systemplanung und Komponetenauswahl best<strong>im</strong>men die Effizienz und Wirtschaftlichkeit einer Anlage<br />

<strong>Niedrige</strong> <strong>Rücklauftemperatur</strong>en<br />

durch Planungs- und<br />

Systemkompetenz in <strong>Wärmenetz</strong>en<br />

Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bietet enormes Potenzial, CO 2 -Einsparungen und Energieeffizienz<br />

von <strong>Wärmenetz</strong>en zu max<strong>im</strong>ieren. Ihr opt<strong>im</strong>ales Leistungsniveau erreichen die Anlagen<br />

in einem intelligenten Zusammenspiel aller integrierten Komponenten. Das gelingt dann, wenn<br />

Planungsprozess und Komponentenauswahl die spezifischen Anforderungen an das spätere<br />

Versorgungssystem effektiv umsetzen.<br />

Um die <strong>im</strong> Kl<strong>im</strong>aschutzgesetz verankerten<br />

Ziele zu erreichen, muss<br />

die Wärmewende konsequent vorangetrieben<br />

werden. Die zentrale<br />

Wärmebereitstellung und -verteilung<br />

über moderne <strong>Wärmenetz</strong>e<br />

kann hier aus ökologischer und<br />

ökonomischer Sicht einen wertvollen<br />

Beitrag leisten.<br />

Energieversorger, Contracting-<br />

Anbieter, Betreiber kommunaler<br />

Wohn- und Verwaltungsgebäude<br />

sowie Gewerbe und Industrie mit<br />

einer hohen Wärmegrundlast profitieren<br />

von den technischen und<br />

wirtschaftlichen Vorteilen, etwa<br />

den günstigeren Wärmegestehungskosten<br />

in Heizzentralen. Zudem<br />

können vorhandene, zentrale<br />

(Ab-)Wärmequellen mit niedrigem<br />

Temperaturniveau durch Großwärmepumpen<br />

ins <strong>Wärmenetz</strong> eingebunden<br />

werden. Gleiches gilt für<br />

große saisonale Speicher mit entsprechend<br />

hoher Kapazität, die nur<br />

sehr geringe Wärmeverluste aufweisen<br />

und Wärme aus Solarthermieanlagen<br />

über mehrere Monate<br />

bis in den Winter speichern können.<br />

Auch hohe Wärmemengen, die beispielsweise<br />

über die Tiefengeothermie<br />

gefördert werden können, lassen<br />

sich effizienter nutzen.<br />

Der Einsatz moderner KWK-Technologie<br />

hebt zusätzliche Potenziale.<br />

In einem langfristig nachhaltigen<br />

Energiesystem überzeugt die Leistung<br />

der gekoppelten Strom- und<br />

Wärmeerzeugung bei gleichzeitig<br />

max<strong>im</strong>aler Flexibilität hinsichtlich<br />

Anlagengröße und Einsatzart sowohl<br />

in zentralen als auch dezen-<br />

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tralen Lösungen. Neben der Steigerung<br />

des Stromertrags wird die<br />

Nutzung industrieller Abwärme<br />

möglich. Ein kontinuierlich hoher<br />

Wärme- und Strombedarf ist dabei<br />

ideal für das Erreichen bestmöglicher<br />

Nutzungsgrade der Anlagen.<br />

Die außerordentlich gute Brennstoffeffizienz<br />

sorgt für eine messbar<br />

bessere CO 2 -Bilanz der gekoppelten<br />

Erzeugung gegenüber einer getrennten<br />

Erzeugung von Strom und<br />

Wärme.<br />

Planung und Auslegung<br />

best<strong>im</strong>men die Anlagenwirtschaftlichkeit<br />

Der Grundstein für den späteren<br />

wirtschaftlichen und kl<strong>im</strong>aschonenden<br />

Betrieb einer KWK-Anlage<br />

wird bereits bei der Planung gelegt.<br />

Nur ein angemessen d<strong>im</strong>ensioniertes<br />

Blockheizkraftwerk (BHKW)<br />

kann auch eine effiziente BHKW-<br />

Anlage sein – und dafür muss ihr<br />

Nutzungsgrad möglichst hoch<br />

liegen. Eine BHKW-Anlage wird<br />

daher über die Volllastbetriebszeit<br />

ausgelegt. Diese liegt typischerweise<br />

zwischen 4 000 und 5 000<br />

Betriebsstunden <strong>im</strong> Jahr. Ist ein<br />

BHKW auf eine zu hohe Leistung<br />

ausgelegt, können die notwendigen<br />

Volllaststunden nicht erreicht<br />

werden. Bei zu geringen zugrundegelegten<br />

Stundenlaufzeiten nehmen<br />

in der Folge Verschleiß und<br />

Wartungsbedarf der Anlage zu.<br />

Strom und Wärme werden dann zu<br />

teuer generiert.<br />

Ein BHKW wärmegeführt auszulegen,<br />

ist meist vorteilhaft. Zum<br />

einen schwankt der Wärmebedarf<br />

<strong>im</strong> Tagesverlauf nicht so stark wie<br />

der Strombedarf. Zum anderen<br />

kann produzierter, ungenutzter<br />

Strom in das öffentliche Netz eingespeist<br />

werden. Wärmegeführte<br />

BHKW werden über die Spitzenlast<br />

oder die Grundlast d<strong>im</strong>ensioniert.<br />

Ist die Grundlast maßgebend,<br />

wird für Spitzenlastzeiten eine zusätzliche<br />

Wärmequelle, etwa ein<br />

Heizkessel, zugeschaltet.<br />

Effizienz resultiert aus einer<br />

belastbaren Datenbasis<br />

Größere (auch kommunale) Unternehmen<br />

sind zur Durchführung<br />

und Umsetzung von Energieaudits<br />

verpflichtet und verfügen folglich<br />

über eine solide Datengrundlage, die<br />

Aufschluss gibt über den realen<br />

Wärmeverbrauch. Diese Informationen<br />

bilden die Basis einer anforderungsgerechten<br />

Anlagenplanung<br />

und -auslegung. Liegt keine belastbare<br />

vollständige Datenerfassung<br />

zum elektrischen und thermischen<br />

Bedarf <strong>im</strong> Einsatzbereich vor oder<br />

fehlt diese gänzlich, stellt dies zuständige<br />

Planer – vor allem bei<br />

energetischer Modernisierung oder<br />

Sanierung <strong>im</strong> Bestand – vor große<br />

Probleme.<br />

„Aus unserem Projektgeschäft<br />

wissen wir nur zu genau, dass die<br />

Effizienzprobleme einer Anlage<br />

meist daraus resultieren, dass ohne<br />

Datenbasis geplant werden musste,<br />

und die Anlage den Anforderungen<br />

daher häufig gar nicht entsprechen<br />

kann. Was zu Projektbeginn fehlt,<br />

kann später teuer werden“, erklärt<br />

Sven Mahlitz, Vertriebsleiter Energiesysteme<br />

der Yados GmbH. Dies<br />

gilt sowohl für überd<strong>im</strong>ensionierte<br />

als auch für unterd<strong>im</strong>ensionierte<br />

Anlagen.<br />

Yados unterstützt Planer und<br />

Betreiber deshalb mit fundierten<br />

Voranalysen zur Ableitung der<br />

technischen Notwendigkeiten neuer<br />

oder zu modernisierender Anlagen.<br />

Ergänzende, anlagenopt<strong>im</strong>ierende<br />

Komponenten, z. B.<br />

zusätzliche Wärmeübertrager für<br />

weitere Auskopplungen bei der<br />

Opt<strong>im</strong>ierung eines BHKW, können<br />

so planungs- und betriebsseitig eindeutig<br />

begründet werden. Spezifische<br />

Bedarfsgrößen können durch<br />

den Einbau und die Auswertung<br />

von Wärmemengenzählern ermittelt<br />

werden. Zur „technischen Fehlervorwegnahme“<br />

wird zudem<br />

Bild 1. Yados unterstützt Planer und Betreiber bei Neubau oder Modernisierung<br />

von der fundierten Voranalyse bis zur maßgefertigten Energieeffizienzzentrale<br />

eruiert, wo und wann welcher<br />

Abnehmer wieviel thermische<br />

Energie verbraucht. Für jeden<br />

Heizkreis wird der Wärmelauf gesondert<br />

analysiert, um diesen später<br />

bedarfsspezifisch bedienen zu<br />

können.<br />

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FACHTHEMA<br />

ANSCHLUSS-/KUNDENANLAGEN<br />

Eine systematische Analyse sollte<br />

auch dann vorgenommen werden,<br />

wenn nur einzelne Komponenten<br />

einer Gesamtanlage erneuert<br />

werden. „Wird beispielsweise ein<br />

Heizkessel durch einen Brennwertkessel<br />

ohne Kenntnis der bedarfsspezifischen<br />

Anforderungen ersetzt,<br />

verpufft <strong>im</strong> schl<strong>im</strong>msten Fall<br />

der Brennwertnutzen. Das ist aus<br />

betriebswirtschaftlicher Sicht ärgerlich<br />

und trägt nicht zur Umweltentlastung<br />

bei“, so Mahlitz.<br />

Für die Analyse selbst wird ein<br />

projektspezifischer Zeitrahmen gewählt.<br />

Opt<strong>im</strong>al ist eine Datenerfassung<br />

über eine Laufzeit von einem<br />

Jahr, um sowohl die Lasten der<br />

Sommer- als auch der Winterzeit<br />

ableiten zu können. Ist dies nicht<br />

möglich, sollten Grund- und Spitzenlast<br />

zumindest über einen Zeitraum<br />

von sechs Monaten erfasst<br />

werden, vorzugsweise über die<br />

Sommermonate.<br />

<strong>Niedrige</strong> <strong>Rücklauftemperatur</strong>en<br />

für noch mehr<br />

Wirtschaftlichkeit<br />

Yados begleitet Planer und Betreiber<br />

bei der Konzeptionierung von<br />

Energiezentralen (Bild 1) mit dem<br />

Ziel, diese auf den Stand von zukunftsfähigen<br />

Effizienzzentralen<br />

zu heben. Die Anlagengesamtwirkung<br />

steht dabei <strong>im</strong> Fokus. Dafür<br />

wird in modernen <strong>Wärmenetz</strong>en<br />

eine möglichst hohe Spreizung der<br />

Vor- und <strong>Rücklauftemperatur</strong>en bei<br />

möglichst niedriger <strong>Rücklauftemperatur</strong><br />

angestrebt. Sie sind entscheidend<br />

für den wirtschaftlichen<br />

Betrieb und den Nutzungsgrad des<br />

Systems und beeinflussen maßgeblich<br />

u. a. die thermische Übertragungskapazität,<br />

den Volumenstrom,<br />

vorhandene Strömungs- und<br />

Wärmeverluste, den Wirkungsgrad<br />

der KWK und den elektrischen<br />

Pumpenaufwand.<br />

„Eine wirksame Opt<strong>im</strong>ierung des<br />

Rücklaufs setzt die genaue Kenntnis<br />

der Verbraucher voraus. Das heißt,<br />

wenn wir wissen, welches Temperaturniveau<br />

von welchen Abnehmern,<br />

etwa in einem Verwaltungs- oder<br />

Industriegebäude, benötigt wird,<br />

können wir feststellen, ob und wo es<br />

‚Effizienzkiller‘ gibt, die <strong>im</strong> Betrieb<br />

wenig Wärmeenergie fordern und<br />

das niedrige Niveau der <strong>Rücklauftemperatur</strong><br />

dadurch gefährden“, erklärt<br />

Mahlitz. Das Gesamtsystem<br />

und seine Komponenten werden<br />

entsprechend anforderungs- und<br />

anwendungsabhängig geplant.<br />

Systemkompetenz: Effizienz<br />

ist mehr als die Summe der<br />

Komponenten<br />

Standardhydraulik gilt als einfach,<br />

verlässlich und für den Regelbetrieb<br />

ausreichend. Ein Irrtum der teuer<br />

werden kann. Arbeiten die integrierten<br />

Komponenten nicht opt<strong>im</strong>al zusammen,<br />

ist die Hydraulik nicht<br />

ausbalanciert oder werden <strong>Rücklauftemperatur</strong>en<br />

<strong>im</strong> Kreislauf „zerstört“,<br />

kann auch die beste Technologie<br />

nicht viel ausrichten, die<br />

theoretisch hohen Effizienzpotenziale<br />

lassen sich in der Praxis nicht<br />

ausschöpfen. Vor diesem Hintergrund<br />

gewinnt die objektbezogene<br />

Anlagenplanung und -fertigung mit<br />

hocheffizienten und gleichzeitig<br />

komplexitätsredu zierten Lösungen<br />

an Relevanz. Maßgeschneiderte<br />

Systemlösungen ermöglichen es,<br />

das Leistungsmax<strong>im</strong>um aus den<br />

Einzeltechnologien <strong>im</strong> Verbund zu<br />

erschließen. „Durch Kenntnis der<br />

örtlichen, technischen und bedarfsabhängigen<br />

Anforderungen können<br />

wir passgenaue Anlagen fertigen<br />

und liefern“, so Mahlitz. „Gleichzeitig<br />

verzichten wir auf das marktübliche<br />

Baukastenprinzip und bieten Planern<br />

die Möglichkeit, Produkte individuell<br />

nach den jeweiligen objektspezifischen<br />

Anforderungen und<br />

Gegebenheiten zu konfigurieren.“<br />

Für den Energieeffizienzverteiler<br />

Yado-Share beispielsweise sind sowohl<br />

die Anschlussrichtung als<br />

auch die Anzahl der Heizkreise frei<br />

wählbar. Die mit zwei getrennten<br />

Rücklaufsammlern ausgestattete<br />

Maßanfertigung wird exakt nach<br />

Planungsvorgaben mit vormontierten<br />

Bauteilgruppen, z. B. Drei-Wege-<br />

Ventil mit Stellantrieb, Hocheffizienzpumpen<br />

und Wärmezähler,<br />

just-in-t<strong>im</strong>e gefertigt und geliefert.<br />

Während Rückläufe üblicherweise<br />

an einem Punkt <strong>im</strong> System zusammengeführt<br />

und vermischt werden,<br />

lassen sich die getrennten Temperaturströme<br />

hier auf zwei Wegen<br />

verteilen und energetisch nutzen.<br />

Ein niedertemperierter Rücklauf<br />

steigert den Wirkungsgrad der<br />

Brennwertanlage und ein höher<br />

temperierter Rücklauf kann parallel<br />

als Vorlauf ins Versorgungsnetz<br />

eingebunden bzw. einem Pufferspeicher<br />

zugeführt werden. Das<br />

senkt die Betriebskosten und spart<br />

CO 2 -Emissionen. Zusätzlich reduzieren<br />

anschlussfertig vormontierte<br />

Komponenten Montagezeit und<br />

-aufwand; das Fehlerrisiko be<strong>im</strong><br />

Aufziehen von Kabeln und Elektrik<br />

entfällt.<br />

Intelligente Steuerung<br />

erhöht Pr<strong>im</strong>ärenergieeinsparung<br />

Eine stabile und versorgungssichere<br />

Wärmeversorgung, in der unterschiedliche<br />

Erzeugungstechnologien,<br />

Energieträger und Verbraucher<br />

integriert sind, erfordert eine intelligente<br />

Steuerung per Leit- und<br />

Kommunikationssystem (Bild 2).<br />

Übergeordnete Steuerungssysteme<br />

vernetzen sämtliche Anlagenkomponenten<br />

– etwa Energiezentrale<br />

mit BHKW, Wärmeübergabestation,<br />

Heizungsverteiler und Trinkwassersystem<br />

– und ermöglichen es,<br />

vorhandene ökonomische und ökologische<br />

Einsparmöglichkeiten zu<br />

identifizieren.<br />

Eine hochentwickelte Leittechnik<br />

ist zentraler Teil des „Alles-aus-ei-<br />

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Bild 2. Kontrolle, Flexibilität, Wirtschaftlichkeit: Yado-Link ermöglicht eine intelligente<br />

Anlagensteuerung von der Erzeugung bis zur Verteilung<br />

Bild 3. Das leicht verständliche Yado-Link-Monitoring-Konzept unterstützt<br />

Anwender über aussagekräftige Kennzahlen und gewährt Zugriff auf alle relevanten<br />

Daten und Informationen<br />

ner-Hand-Portfolios“ von Yados. angesteuerten Anlagenteile und<br />

„Yado-Link steuert konstant die Anlagenparameter liefern wesentliche<br />

Kennzahlen und bieten Zugriff<br />

komplette Anlagentechnologie. Das<br />

übergeordnete, Bus-basierte Regelsystem<br />

überwacht, erfasst und Temperaturen oder Drücke (Bild 3).<br />

auf wichtige Informationen wie<br />

analysiert alle relevanten Daten in Anlagenbetreiber und Techniker<br />

Echtzeit. Auf dieser Basis können haben die Möglichkeit, die für sie<br />

dann weitere konkrete Opt<strong>im</strong>ierungsmaßnahmen<br />

abgeleitet wer-<br />

zu überwachen und zu steuern. Im<br />

relevanten Betriebsprozesse mobil<br />

den“, erörtert Mahlitz.<br />

Falle eines Falles wird eine Alarm-/<br />

Die erfassten Betriebsstunden, Störmeldung an ein vordefiniertes<br />

Energieflüsse und Verbräuche werden<br />

transparent aufbereitet und Laptop, übertragen. Gegebenenfalls<br />

Endgerät, z. B. Smart Phone oder<br />

nutzerfreundlich visualisiert. Die kann per Fernwartung in die laufenden<br />

Erzeugungs- und Verteilprozesse<br />

eingegriffen werden.<br />

Auf der sicheren Seite trotz<br />

CO 2 -Bepreisung<br />

Aufgrund hochentwickelter (Automotive-)Technologie<br />

erfüllen BHKW-<br />

Motoren umfassend aktuelle und<br />

geplante gesetzliche Emissionsvorgaben.<br />

Grundsätzlich unterstützen<br />

BHKW-Anlagen die dringend notwendige<br />

CO 2 -Einsparung – wenn<br />

auch noch nicht ganz kl<strong>im</strong>aneutral.<br />

Der vielfach eingesetzte Brennstoff<br />

Erdgas produziert zwar messbar<br />

weniger CO 2 als Öl und Kohle,<br />

bleibt aber ein zum größten Teil<br />

fossiler Energieträger. Es ist jedoch<br />

davon auszugehen, dass Erdgas(netzen)<br />

zukünftig mehr und<br />

mehr Synthesegase und Wasserstoff<br />

beigemischt werden. Die Kl<strong>im</strong>abilanz<br />

kann sich damit weiter<br />

verbessern.<br />

Dennoch wird die beschlossene<br />

CO 2 -Bepreisung (CO 2 -Steuer) auch<br />

die Betreiber von BHKW-Anlagen<br />

betreffen. So soll eine Tonne ausgestoßenes<br />

CO 2 ab dem Jahr 2021 bereits<br />

25 € kosten. Bis 2026 soll der<br />

Preis nach und nach auf 60 €/t<br />

steigen. Anlagenbetreiber können<br />

sich jedoch über die <strong>im</strong> Vergleich<br />

zu konventionellen Energieträgern<br />

deutlich geringeren CO 2 -Kosten<br />

freuen. Da sich die Bepreisung auf<br />

das Inverkehrbringen bezieht, tragen<br />

die Betreiber diese Kosten zudem<br />

nicht direkt. Lediglich der<br />

Brennstoff wird sich verteuern. Damit<br />

wird die CO 2 -Bepreisung eher<br />

zum Vorteil für KWK-Technologien,<br />

die gasförmige Pr<strong>im</strong>ärenergie nutzen<br />

– und Blockheizkraftwerke<br />

bleiben weiterhin eine wirtschaftlich<br />

und ökologisch lohnende Investition.<br />

Yados GmbH, Hoyerswerda<br />

sven.mahlitz@yados.de<br />

www.yados.de<br />

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