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Betrachten wir zuerst eine gewöhnliche mit Erdwärme betriebene Wärmepumpe: Wasser zirkuliert durch eine Erdsonde oder durch 2m unter der Erde verlegte Rohre. Die Wärmepumpe entzieht diesem etwa 10° kaltem Wasser Wärme, um damit den Heizkreislauf zu erhitzen. Jetzt ist es aber schwierig, auf einem bestehenden Grundstück eine Erdsonde oder einen Erdkollektor zu errichten, in Teilen von Cappel sogar wegen Wasserschutz verboten.
Die Lösung: an einem leicht zugänglichen Platz lässt man viele Erdsonden ein und schließt alle Grundstücke in der Nähe an eine Zirkulationsleitung durch diese Erdsonden an. Das ist das kalte Wärmenetz oder die kalte Nahwärme.
>Das kommt auf die Umstände an. Im folgenden Szenario würde es sich lohnen.
Zwischen Moischter Straße, Reinhardswaldstraße und Burgwaldstraße befindet sich der Bolzplatz, welcher einschließlich der umgebenden Grünfläche etwa 5000 m² umfasst. Dort könnte man 100 bis 200 Erdsonden unterbringen. Vorher natürlich eine Probebohrung machen, ob sich das Gelände eignet. Nach dem Einbringen der Bohrungen und der Verbindungsrohre kann der Platz wieder in seinen vorigen Zustand gebracht werden. Damit könnte man 100 Wohneinheiten versorgen. Genauere Berechnungen siehe unten.
So ein Feld von Erdsonden hat nämlich noch eine zweite Eigenschaft: es kann als Wärmespeicher für überschüssige Wärme dienen. Überschüssige Wärme? Gegenüber dem Bolzplatz an der Moischter Straße liegt ein Grundstück von etwa 3000 m² brach. Vielleicht kann man es kaufen oder pachten und darauf Sonnenkollektoren aufstellen. Diese würden in das System einspeisen, und, wenn die Wärme nicht benötigt wird, wird sie in das Erdsondenfeld eingespeist. Damit wird aus dem kalten Nahwärmenetz ein lauwarmes, und das hat große Vorteile: es ist wesentlich effizienter.
Die 100 Wohneinheiten findet man in einem Umkreis von 300m Luftlinie, so dass das zu erstellende Nahwärmenetz weniger als 3 km Leitungslänge bräuchte.
Ein großer Vorteil eines kalten Nahwärmenetzes ist, dass man es nach und nach erweitern kann. Sonnenkollektoren können überall im Netz einspeisen, weitere Straßenzüge können dazu genommen werden, wenn genügend Leistung bereitgestellt werden kann. Eventuell kann auch an einer anderen Stelle im Netz später noch ein Erdsondenspeicher dazugenommen werden. Überschlagsrechnung für die Leistung und die Energiemenge des geplanten Systems.
Zwei wichtige Kennzahlen für das System sind Leistung und Energie (Energiemenge). Z.B. muss eine Heizung eine gewisse Leistung erbringen, damit es an einem kalten Januartag auch warm in der Wohnung wird. Die Einheit ist hier kW oder MW. Andererseits wird eine gewisse Energiemenge pro Tag oder pro Jahr verbraucht. Die Einheit ist hier kWh bzw. MWh.
Für die folgenden Berechnungen nehme ich für eine Wohneinheit einen Jahres Energieverbrauch von 15 MWh und eine maximale Heizleistung von 10 kW an.
Daten für das berechnete Netz
Zuerst muss man natürlich feststellen, ob der Untergrund überhaupt geeignet ist. Ungünstig wären mehrere wasserführende Schichten, denn das würde zu hohem Wärmeverlust führen. Andererseits wäre das von Vorteil, wenn man es als reines Kaltwärmenetz betreiben würde, da so immer wieder die 10° aufgefrischt würden. Massives Gestein wäre für die Bohrarbeiten ungünstig. Die Art des Untergrunds bestimmt natürlich auch die Wärmekapazität des Speichers und wie viel Wärme verloren geht. Auf dem Gelände muss man sicherlich einiges an Technik unterbringen, aber hier sollten 100 m² genügen. Ja, und der Pufferspeicher muss auch irgendwo hin.
Wo könnte man die unterbringen? 2000 m² auf der Fläche gegenüber dem Bolzplatz, 2000 m² auf der Freifläche in der Mönchswaldstraße, 1000 m² auf den Mietshäusern in der Moischter Straße, Einhausen der Busstraße, Abhang zwischen Friedhof und Moischter Straße, Einhausen der Moischter Straße ab Friedhof bis Eselsgrund, Freifläche in der Moischter Straße gegenüber Hausnummer 64, 66, auf verschiedenen noch freien Dachflächen.
Wenn die Kapazität der Netzleitungen groß genug ist, spielt es keine Rolle, wo im Netz die Kollektoren angeschlossen werden. Selbst auf den Dächern einzelner Häuser würde es sich lohnen, Sonnenkollektoren anzubringen und die Wärme ins Netz einzuspeisen. Die Vergütung würde dann von den Heizkosten abgezogen.
Da die Sonnenkollektoren am Eingang mit dem Netz-Rücklauf verbunden sind, und dieser maximal 20° hat, sollten sie sehr effizient arbeiten.
Von 100 Wohneinheiten bzw. 1,5 GWh geht die Berechnung aus. Die müsste man in der Nähe zusammen kriegen. Mit einer Netzlänge von 3 km kann man über 200 Wohneinheiten erreichen. Da sollte es doch möglich sein, 100 Abnehmer zu finden. Hier eine Auflistung einiger Straßen rund um den Bolzplatz, die Anzahl der Wohneinheiten und die Lange des Netzes (Aus Google Maps geschätzt):
Gerade die Wohnblöcke sind sehr interessant: wollte man sie mit einer Wärmepumpe heizen, so bräuchte man einen sehr großen Wärmetauscher, für den ich keinen Platz zum Aufstellen sehe. Des weiteren haben sie große, ungenutzte Dachflächen, die bestens für Sonnenkollektoren geeignet wären.
Die Nahwärmeleitungen werden in der Straße verlegt. Es braucht ein Leitungspaar, Vorlauf und Rücklauf. Wenn man nur mit kalter Versorgung arbeiten will, braucht man keine isolierten Leitungen. Für unser Projekt sollten wir mit einer garantieren Vorlauftemperatur von 30° arbeiten.
Warum 30°? Zum einen ist diese Temperatur von der Versorger Seite ohne großen Aufwand zu erreichen. Meistens liefern die Sonnenkollektoren bzw. der Pufferspeicher diese Temperatur, zu Beginn der Heizperiode auch der Erdsondenspeicher. Kann die Temperatur nicht erreicht werden, springt eine zentrale Wärmepumpe ein. Zum anderen können die Wärmepumpen bei den Abnehmern für diesen Temperaturbereich optimiert werden und somit einen sehr hohen Wirkungsgrad erreichen. (COP 8).
Die Leitungen müssen auch deshalb gut isoliert sein, weil die Sonnenkollektoren sehr heißes Wasser in den Vorlauf pumpen können, welches dann im Wesentlichen im Pufferspeicher landet.
Was passiert mit den Wärmepumpen, wenn zu heißes Wasser kommt? Kein Problem, sie ziehen es dann nur in geringen Mengen, so dass sie immer im optimalen Bereich arbeiten.
Der kann nicht groß genug sein, aber je größer umso teurer und hässlicher. Also ist hier ein Kompromiss gefragt. Ich gehe von 200 m³ aus, 8 m im Durchmesser, 4 m hoch, zuzüglich Isolierung. Vielleicht lässt man ihn 2 m in den Boden ein und schüttet einen Hügel darüber auf. Oder man macht ihn schlanker und höher und umgibt ihn mit einer Kletterwand.
Seine Funktion: wenn die Sonnenkollektoren powern, dann läuft das heiße Wasser erst durch den Pufferspeicher und dann erst durch den Erdsondenspeicher, da letzterer die Wärme nicht so schnell aufnehmen kann. In der Nacht kann dann noch Wärme vom Pufferspeicher in den Erdsondenspeicher gepumpt werden. Außerdem wird aus dem Pufferspeicher die Wärme in das Netz eingespeist.
Die zentrale Wärmepumpe, die im Notfall einspringt, um die 30° Vorlauftemperatur sicherzustellen, kann bei günstigem Strompreis (Überschussstrom im Netz) den Pufferspeicher aufheizen, wenn absehbar Bedarf besteht.
Ich sehe zwei Möglichkeiten: entweder eine Genossenschaft, in der alle Abnehmer Mitglieder sind, oder die Stadtwerke nehmen es in die Hand.
Die andere Frage ist: was wird abgerechnet? Die Energie, die dem Nahwärmenetz entzogen wird, oder die Energie, die zum Heizen verwendet wird. Im letzten Fall wäre die Wärmepumpe in den einzelnen Häusern im Eigentum des Betreibers.
Das Projekt braucht eine wissenschaftliche Begleitung von einem Institut oder einer Universität.
Schätzungen für die Kosten der einzelnen Komponenten:
Alles in allem vielleicht 7 Mio. €, das ist ohne Subventionen natürlich nicht machbar. Dagegen stehen sehr günstige Betriebskosten: mehr als 70% der Energie kommt von der Sonne bzw. aus der Erde. CO2 Bilanz: kaum Beton beim Bau, im Betrieb CO2 frei (natürlich mit grünem Strom)
Bei 7 Mio. € auf 100 Wohneinheiten bedeutet das 70.000 € pro Wohneinheiten. Niemand würde sich eine Heizung für 70.000 € kaufen und einbauen. Ist das Projekt damit unökonomisch? Zum einen ist das ein Pilotprojekt, das ist immer teurer. Zum anderen wird man sicherlich Subventionen bekommen. Man muss es natürlich auf sagen wir 30 Jahre rechnen. Und man muss es mit einer Luft Wärmepumpe vergleichen, denn Gas gibt es in 30 Jahren nicht mehr. Eine Luft Wärmepumpe braucht für 15 MWh Wärme pro Jahr, von denen wir hier ausgehen, 5000 kWh Strom. Wenn wir mit 1500 kWh für unser System rechnen, müsste der Strompreise schon stark steigen, damit es sich lohnt.
Leider spiegeln die Preise nur die ökonomische Sicht und nicht die ökologische Sicht wider. Im Sommer gibt es 8 mal soviel Sonnenenergie pro Quadratmeter wie im Winter. Wir retten einen Großteil dieser Energie in den Winter. Während die Luft Wärmepumpe im Januar 20% der Jahresenergie verbraucht, zehren wir im Januar noch von der Sommerwärme. Das ist ein wesentlicher Beitrag zur Stabilisierung des Stromnetzes. Auch der Pufferspeicher kann zu Zeiten des Strom Überangebots geladen werden und entlastet damit das Stromnetz zu Spitzenzeiten. Wärme lässt sich viel besser speichern als Strom (aber viel schlechter transportieren). Und wo man Wärme braucht, ist es der bessere Weg.
Es ist somit in zweierlei Hinsicht ein Schritt zum schnelleren Erreichen der 100% erneuerbare Energie im Stromsektor: erstens kappt es die Nachfragespitze nach Strom, vor allem im Januar und reduziert den Stromverbrauch fürs Heizen auf ein Drittel, zweitens dient es als Pilotprojekt für weitere solche Anlagen.
Kaltes Nahwärmenetz mit Erdsondenspeicher:
+ Hohes Einsparpotential
- Hohes Herstellungskosten
Ein dynamisches Erdspeichersystem auf dem Campus Hönggerberg (ETH Zürich)
Österreichs Städte mit Anergie heizen und kühlen
Kalte Nahwärme in Bad Nauheim Süd
Kalte Nahwärme (Nachtstrom, Projekt Entwicklung)