Kalte Nahwärme - Siedlungen mit Wärmepumpen beheizen

Wärmepumpen dominieren als Heiztechnologie den Neubau. 2019 entschied sich die Mehrheit der Bauherrinnen und Bauherren dafür. Noch wenig verbreitet ist die Auslegung ganzer Baugebiete für das Heizsystem Wärmepumpe. Durch die Installation eines kalten Nahwärmenetzes ist das möglich.

Kalte Nahwärmenetze, teils auch als Anergienetze oder Niedertemperatur-Wärme- und Kältenetze bezeichnet, sind Wärmeverteilnetze, die im Gegensatz zu klassischen Fernwärmenetzen, die mit Temperaturen von 70 – 100 °Celsius arbeiten, mit sehr niedrigen Vorlauftemperaturen nahe der Umgebungswärme (etwa 4 bis 20 °C) betrieben werden. Erst in den angeschlossenen Gebäuden wird die angelieferte Energie dann mittels Wärmepumpe auf das gewünschte Wärmeniveau gehoben. Dies hat mehrere Vorteile:

• Verteilleitungen müssen wenig oder nicht gedämmt werden.
• Infolge der niedrigen Temperaturen geht auf dem Weg wenig Energie verloren oder
• Die Verteilleitung kann sogar als Wärmekollektor dienen
• Mehrere Quellen mit unterschiedlichen Temperaturen können gesammelt werden
• Es ergibt sich eine positive Vernetzung von Kühlung und Heizung

Kalte Wärmenetze sind daher energetisch äußerst effizient. Durch das konstante mittlere Temperaturniveau, das die kalten Nahwärmenetze an die Wärmepumpen in den Gebäuden liefern, erreichen diese durchgängig hohe Jahresarbeitszahlen. Die geringen Vorlauftemperaturen ermöglichen darüber hinaus viele Wärmequellen für das Netz zu nutzen. Neben Umweltwärme aus Grundwasser oder dem Erdreich kommt zum Beispiel auch Abwärme aus Abwässern und Kühlanlagen oder Wärme aus Solarthermie infrage. Alternative Energiequellen lassen sich über diese Systeme sehr gut einbinden. Kalte Nahwärme kann so als Sammlung verschiedener Energiequellen dienen und diese gesammelten Quellen immer gleichzeitig zum Kühlen und Heizen verwenden. Dadurch können unterschiedliche Anforderungen zur selben Zeit bedient werden, was einen deutlichen Vorteil gegenüber klassischen Fernwärme-Fernkältenetzen darstellt. Kalte Wärmenetze sind dabei gut erweiterbar und flexibel. Sie eignen sich dadurch besonders für Gebiete, in denen noch Unsicherheit bezüglich zukünftiger Entwicklung und Energieverbrauch besteht. Aufgrund der Möglichkeit, komplett durch erneuerbarer Energien betrieben zu werden und zugleich einen Beitrag zum Ausgleich der schwankenden Produktion von Windkraft- und Fotovoltaikanlagen zu leisten, gelten kalte Nahwärmenetze als vielversprechende Option für eine nachhaltige, potenziell treibhausgas- und emissionsfreie Wärmeversorgung.

Niedertemperaturnetze zur Wärmeversorgung eröffnen neue Möglichkeiten für dezentrale Energieversorgung auf Quartiersebene. Sie erhöhen die Flexibilität und fördern die Integration von lokalen, erneuerbaren Energiequellen. Damit entstehen dynamische Netze, die es ermöglichen, dass Gebäude aktiv am Netz als Produzenten und Konsumenten teilnehmen können.: erläutert Dr.in Edith Haslinger, Senior Scientist Center for Energy am Austrian Institute of Technology

Geschlossene und offene Nahwärmenetze
Kalte Nahwärmenetze lassen sich in offene und geschlossene Systeme unterscheiden. Bei offenen Systemen wird Wasser eingespeist, durch das Netz geschleust, wo es dann die jeweiligen Verbraucher versorgt und schließlich in die Umwelt abgegeben wird. Ein Stadtwerk pumpt zum Beispiel als Netzbetreiber 10 °C warmes Grundwasser durch ein Leitungssystem. Die angeschlossenen Abnehmer entziehen ihm die Wärme an einer definierten Übergangsstelle, bevor das kühlere Grundwasser in den Rücklauf fließt und über Schluckbrunnen wieder versickert. Bei geschlossenen Systemen wird im Gegensatz dazu eine Überträgerflüssigkeit, meist Sole, in einem Kreislauf zirkuliert. Im Sommer können kalte Ringleitsysteme auch zur Klimatisierung und Kühlung verwendet werden, indem sie Wärme aus den Gebäuden abführen. Diese Wärme kann zur energetischen Regeneration der genutzten Wärmequelle (z. B. Erdreich oder Grundwasser) beitragen.

Saisonale Wärmespeicher
Bei geschlossenen Systemen stellt der Wärmespeicher ein zentrales Element von kalten Nahwärmesystemen dar. Sie dienen zum Ausgleich von Schwankungen bei Wärmeproduktion und Abnahme. Dies bietet sich vor allem dort an, wo die Struktur der Abnehmer nicht zu einem weitgehend ausgeglichenen Wärme- und Kühlbedarf führt oder eine ganzjährig ausreichende Wärmequelle vorhanden ist. Die Speicherung kann vielfältig beispielsweise im Erdreich mit sogenannten Aquiferspeichern, Eispeichern, Speicherseen oder in Bohrfeldern erfolgen. Diese ermöglichen überschüssige Wärme aus dem Sommerhalbjahr, wie etwa aus der Kühlung, aber auch von anderen Wärmequellen durch Wasser als Energieträgermedium einzuleiten und damit den Untergrund als Wärmespeicher zu verwenden. In der Heizperiode wird dann der Prozess umgekehrt und erwärmtes Wasser gefördert und in das Kaltwärmenetz eingespeist. Auch Eisspeicher stellen eine Möglichkeit der Wärmespeicherung dar.

Kalte Nahwärme im Viertel Zwei
Seit drei Jahren läuft die Energieerzeugungsanlage der Energie Krieau im Viertel Zwei im Vollbetrieb – und zwar mit großem Erfolg. In den letzten zwei Jahren wurden 2.350 Menschen auf 80.000 m² mit nachhaltiger Wärme und Kälte versorgt. Dabei werden jährlich circa 800 Tonnen an CO2 eingespart.

Die benötigte Wärme und Kälte werden aus erneuerbaren Energiequellen, welche am Standort verfügbar sind, bezogen. Hierzu wurden insgesamt 23.100 Laufmeter Erdwärmesonden errichtet, welche als Saisonspeicher fungieren. Die Erdwärmesonden werden durch eine thermische Grundwassernutzung sowie durch eine Abwasserwärmerückgewinnung unterstützt. Mithilfe von Wärmepumpen wird die Energie aus den Energiequellen auf das passende Temperaturniveau angehoben oder abgesenkt. Der für den Betrieb der Wärmepumpen notwendige Strom stammt zum Teil aus den am Standort installierten Fotovoltaikanlagen. Die Verteilung der Energie erfolgt dabei über ein lokales Anergienetz.

Da das Standentwicklungsgebiet Viertel Zwei auch weiterhin ein Vorbild in Sachen grüner Energie sein will, wird die bestehende Anlage in Zusammenarbeit mit dem Energieversorger BauConsult Energy, welcher federführend bei der Entwicklung der Energie Krieau war, erweitert.

Anergienetz in der Seestadt Aspern
Am Bauplatz H6 in der Seestadt Aspern setzt die BauConsult Energy ein weiteres kaltes Nahwärmenetz um. Die Wohn- und Geschäftsgebäude mit insgesamt 18.000 m² Nutzfläche am Bauplatz H6 werden frei von CO2-Emissionen mit Wärme und Kälte versorgt, und das zu marktüblichen Energiekosten.

Es ist nachgewiesen, dass rund 40 % des Energieverbrauches und damit ein Drittel aller CO2-Emissionen innerhalb der EU auf die Energieversorgung von Gebäuden zurückzuführen ist. Ein Umstand, dem BauConsult Energy entgegenwirken möchte und dazu neue Wege geht. Ein aktuelles Projekt der BauConsult Energy zeigt, dass es auch anders geht: In der Seestadt Aspern werden zukünftig vier Gebäude der Bauträger ARE Austrian Real Estate, Wiener Städtische Versicherung, Aphrodite AG und Schönere Zukunft GmbH mittels Niedertemperatursystem mit nachhaltiger Wärme, Warmwasser und Kälte versorgt. Die Besonderheit dabei ist, dass weder Bauträger noch die Bewohner höhere Kosten als bei „konventionellen“ Energieversorgungssystemen zu erwarten haben.

Der gesamte Heiz- und Kühlenergiebedarf wird aus lokal verfügbaren regenerativen Energiequellen gedeckt.: erklärt der Projektleiter David Bauernfeind von BauConsult Energy.

Das Herzstück des Systems sind Erdsonden, die zur saisonalen Energiespeicherung genutzt werden. Anschließend wird über umweltfreundliche Wärmepumpen Warmwasser, Heizenergie und Kühlenergie für die Wohn- und Gewerbeflächen erzeugt. Unterstützt wird das System von einer Fotovoltaikanlage, welche die Wärmepumpen mit erneuerbarem Strom versorgen.