Ausgestaltung intelligenter Wärmenetze 4.0

Der Erfolg des energetischen Transformationsprozesses hängt wesentlich von der Entwicklung in der Wärmeversorgung ab. Dies betrifft insbesondere den Gebäudesektor. Eine geeignete Option für eine ökologisch und ökonomisch tragfähige Wärmeerzeugung und -verteilung bieten intelligente Wärmenetze der sogenannten vierten Generation. Welche Vorteile eine solche Netzlösung aus Betreiber- und Nutzerperspektive aufweisen kann, zeigt beispielhaft das Nahwärmeprojekt der Gemeinde Teningen in Baden-Württemberg.

Gut die Hälfte des deutschen Endenergieverbrauchs entfällt auf die Wärmeversorgung: mehr als 50 Prozent auf den Raumwärmebedarf, gefolgt von Prozesswärme und Warmwasser. Damit bietet der Wärmemarkt ein beachtliches Potential für die Transformation der Energieversorgung und die Reduktion von CO₂-Emissionen. Im Fokus der angestrebten Wärmewende steht die Aufgabe, Effizienzpotentiale regenerativer Energieträger – auch im Mix mit fossilen Brennstoffen – wirksam auszuschöpfen.

Als Schlüsselkonzepte setzen sich zunehmend progressive Nahwärmenetzlösungen durch. Langfristig technologieoffene Systeme gestatten es, erneuerbare Energien, optimierte Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und Abwärme mit höchsten Wirkungsgraden und einer deutlichen Reduktion des Primärenergieeinsatzes zu nutzen.

Neben regulatorischen Rahmenbedingungen und staatlichen Anreizprogrammen werden insbesondere Gemeinden und Kommunen dazu beitragen können, den Auf- und Ausbau der netzgebundenen Wärmeversorgung zu forcieren. Ausschlaggebend für die erfolgreiche Umsetzung auf kommunaler Ebene sind strategisch ausgerichtete Wärmeplanungen, die gegebene Rahmenbedingungen integrieren und adäquate wirtschaftliche und technische Konzepte für Stadtteile, Quartiere und Einzelgebäude weiterentwickeln.

Projekt Nahwärmenetz: Einflussgrößen und Erfolgsfaktoren

Die Entscheidung für den Auf- oder Ausbau eines Nahwärmenetzes geht mit der Festlegung auf ein langfristig angelegtes Versorgungskonzept und den zugehörigen Investitionserfordernissen einher. Detaillierte Machbarkeitsstudien und solide Wirtschaftlichkeitsberechnungen auf Basis harter Standortfaktoren und ökonomischer Einflussgrößen sind daher für eine belastbare Kalkulationsgrundlage unerlässlich.

Die Wirtschaftlichkeit von Nahwärmekonzepten ist eng an die reale Zahl der Anschlussnehmer gebunden. Nur wenn der Abnehmerkreis ausreichend groß ist, können Investitionsbeträge kosteneffektiv umgelegt und konkurrenzfähige Wärmepreise generiert werden. Synergien und Einsparpotentiale, wie beispielsweise anstehende Heizungserneuerungen in öffentlichen Liegenschaften, sollten bereits im Vorfeld einer Planung evaluiert und berücksichtigt werden.

In der Gemeinde Teningen, unweit von Freiburg, lag der energetische Verbrauchsanteil der kommunalen Liegenschaften mit 8,5 Prozent des Primärenergiebedarfs im Stadtteil Oberdorf überdurchschnittlich hoch. Gleichzeitig verfügten mehrere Einrichtungen über Heizungssysteme mit akutem Modernisierungsbedarf. Über 90 Prozent der Anlagen in Oberdorf wurden bislang mit fossilen Energieträgern betrieben, größtenteils mit Gas oder Heizöl. Das Durchschnittsalter der Heizanlagen betrug 17 Jahre.

Ein zentrales Argument für eine netzgebundene Wärmeversorgung stellen lokale, regenerative Wärmeerzeuger dar. Die Gemeinde Teningen konnte eine bereits existierende Biogasanlage mit einer thermischen Leistung von 250 kW und mehreren Millionen ungenutzter Kilowattstunden Wärme pro Jahr in ihr Nahwärmenetz einbinden.

Zweite Wärmequelle ist eine Holzhackschnitzel-Heizung im Schul- und Sportzentrum mit 600 kW und freier Leistungskapazität. Bis zu 95 Prozent der benötigten Heizmasse liefert ein nahegelegenes Sägewerk. Die kurzen Transportwege ermöglichen es, das energetische Potential des biogenen Festbrennstoffes – mit vergleichsweise geringer Energiedichte bei großem Volumen – optimal auszuschöpfen. Darüber hinaus unterstützt eine dezentrale Versorgung die Entwicklung der Wirtschaftsregion: Die gesamte Wertschöpfungskette ist lokal angesiedelt, die Abhängigkeit von externen Preisen, Ressourcen oder Lieferengpässen entfällt.

Ergänzt wurde die neue Infrastruktur der Gemeinde um eine Solarthermieanlage und einen zuschaltbaren Gaskessel mit 600 kW. Drei Pufferspeicher mit insgesamt 54 m³ Fassungsvermögen sorgen für den Ausgleich von Wärmeangebot und Wärmenachfrage.

Planung von 6 km Wärmenetz

Ein gleichermaßen ökonomisch wie ökologisch effektives Nahwärmenetz basiert auf einer professionellen Planung und ausgereifter Anlagentechnik. Die Planung für das 6.000 m umfassende Wärmenetz in Teningen erfolgte in Rosenheim. Die dort ansässige dme consult GmbH konzipierte ein hocheffizientes, saisonal-speichergestütztes und mit diversen erneuerbaren und konventionellen Energieträgern betreibbares Netz der sogenannten vierten Generation.

Die Herausforderung bei der Planung eines zukunftsfähigen Wärmenetzes liegt darin, ein (betriebs-)technisches Design zu entwickeln, das die effektive Absenkung des erforderlichen Primärenergieeinsatzes unterstützt. Das Niveau der Netzvorlauf- und -rücklauftemperaturen spielt dabei eine wesentliche Rolle. Gelingt es, diese durch eine möglichst hohe Spreizung dauerhaft auf einem optimalen Niveau zu halten, können Pumpenleistungen und Rohrdimensionierungen reduziert werden.

Das spart nicht nur Investitionskosten für Material und Anlagentechnik, sondern verhindert zugleich kostenintensive Wärmeverluste im Netz. In Teningen wurden hochwertige Stahldoppelrohre mit verstärkter Dämmschicht verbaut. Im Vergleich zu Einzelleitungen übertragen diese deutlich weniger Wärme an das umgebende Erdreich.

Für die Gemeinde Teningen fertigte die Yados GmbH leistungsfähige, rücklaufoptimierte Komponenten zur Wärmespeicherung, -verteilung und -übergabe sowie zur Bereitstellung von Warmwasser. Das Unternehmen mit Sitz in Hoyerswerda ist spezialisiert auf ganzheitliche Energielösungen, die den Gesamtprozess von der Erzeugung bis zur Verteilung und Übergabe abdecken. Sämtliche Komponenten und Energieerzeuger sind in ein übergeordnetes Leit- und Kommunikationssystem ("Yado|Link") integriert.

Unabhängig von der Art des Energieträgers – Holz, Biogas oder Solarenergie – und der jeweiligen Leistung des Wärmeerzeugers sorgt das intelligente, zugriffsgeschützte System für eine präzise und stabile Zusammenarbeit der Einspeiser. Das LON-Bus basierte Netzwerksystem ermöglicht es, das Gesamtnetz inklusive Energieerzeuger und Einspeisepumpen exakt zu steuern und zu überwachen.

Alle anlagenrelevanten Daten werden an integrierten Knotenpunkten erfasst, über eine Regelungseinheit an das Leitsystem übermittelt und dort analysiert und visualisiert. Kommt es bei den gesteuerten Erzeugungs- und Verteilprozessen zu Abweichungen oder Störungen, lassen sich diese unmittelbar in Echtzeit beheben. Darüber hinaus kann die Anlagenfahrweise über das Leitsystem kontinuierlich modifiziert und optimiert werden. Die Ausregelung der Rücklauftemperaturen in Abhängigkeit vom Nutzerverhalten ist während des laufenden Betriebs per Fernwartung möglich.

Fazit: Konkurrenzfähige Wärmegestehungskosten

Seit über zwei Jahren ist das mit Fördermitteln der Europäischen Union und dem Land Baden-Württemberg unterstützte Teninger Wärmenetz in Betrieb. Die Wärmegestehungskosten für die Anschlussnehmer sind stabil und liegen im Vergleich leicht unter den Kosten für das Heizen mit fossilen Energieträgern.

Bereits im ersten Jahr sparte die Gemeinde durch den Netzbetrieb 351.000 Liter Heizöl. Das entspricht einer CO₂-Vermeidung von 1.100 Tonnen. Vor dem Hintergrund der positiven Ökobilanz wurde das Leuchtturmprojekt gleich mehrfach ausgezeichnet, unter anderem im Rahmen des Förderprogramms "Klimaschutz mit System" des Umweltministeriums Baden-Württemberg und vom Fachverband Biogas.

In einer zweiten und geplanten dritten Bauphase erweitert die Gemeinde ihr Wärmenetz, sodass sich die energetische Effizienz und Wirtschaftlichkeit des Netzbetriebs zukünftig weiter verbessern lässt. Gleichzeitig profitieren rund 200 zusätzliche Haushalte mit 450 Verbrauchern, das Schulzentrum, zwei Kindergärten und das örtliche Freibad von einer stabilen und umweltentlastenden Wärmeversorgung.