Technologien und Ökobilanzierung

Stand der Technik sind hier gut isolierte Warmwasserspeicher mit mehreren Kubikmetern Volumen und einer Speichertemperatur von bis zu 100 °C. Schichtladeeinrichtungen dienen dabei häufig der gleichzeitigen Bereithaltung von Wasser unterschiedlicher Temperatur. Für Wohngebäude sind außerdem Systeme mit längeren Speicherdauern, bis hin zur saisonalen Speicherung, verfügbar. Für die Industrie und Nah- oder Fernwärmenetze werden meist Stahl- oder Betonspeicher in Außenaufstellung genutzt, deren Volumen mehrere tausend Kubikmeter erreichen kann (z. B. saisonaler Wärmespeicher am Ackermannbogen in München).

Bei der Aufstellung solcher Speicher im Gebäude wird der verfügbare Platz oft nicht effizient ausgenutzt. Daher dient im Projekt InEs ein kompletter Kellerraum als druckloser Wärmespeicher. So geht keine Nutzfläche verloren. Der Raum wird wärmegedämmt, gegen Wasser und Wasserdampf abgedichtet und schließlich mit Wasser befüllt.

Die Herausforderung dabei besteht darin, die Dämmung über eine Speicherlebensdauer von mindestens 30 Jahren vor aus dem Rauminneren eindringender Feuchtigkeit zu schützen. Bei Durchfeuchtung büßen die meisten Dämmmaterialien stark an Wirkung ein und es entstehen große Wärmeverluste. Daher darf die Auskleidung des Raums ihre Dichtigkeit trotz häufiger Temperaturdehnungen beim Aufheizen und Abkühlen des Speicherinhalts nicht verlieren. Außerdem muss die Dämmung die strukturelle Last abtragen können, die aus zwei Metern Wassersäule resultiert.

Die Konzeptphase, die sich über den kompletten Projektzeitraum zieht, umfasst neben der statischen Prüfung des Raums und der Auswahl geeigneter Materialien auch eine fluidmechanische Simulation zur Auslegung des Be- und Entladesystems. Dabei wird der Einsatz von Einbauten zur Strömungsberuhigung wie einer Aufteilung des Raums in Kammern geprüft. Außerdem werden die Unterkonstruktion für die Dämmung und die wasserdichte Hülle geplant, um auch spätere Inspektionen zuzulassen. Zuletzt folgt noch die Erstellung eines Mess-, Steuer- und Regelkonzepts für einen störungsfreien Speicherbetrieb.

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35%

Im Gegensatz zu klassischen Photovoltaikmodulen aus Silizium- oder Dünnschichtzellen bestehen die Zellen organischer Photovoltaikmodule (OPV) aus Werkstoffen der organischen Chemie, also aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen bzw. Kunststoffen. Sie werden auf eine biegsame Folie gedruckt oder in diese eingebettet.

OPV findet bisher in der Forschung und auch in einigen kommerziellen Projekten Anwendung, ist jedoch weniger verbreitet als andere Photovoltaiktechnologien. Das liegt hauptsächlich daran, dass die Zellen bei geringerem Wirkungsgrad höhere Kosten verursachen als klassische Siliziumphotovoltaik. Allerdings können mit den flexiblen OPV-Folien auch gekrümmte Oberflächen ausgestattet werden und dank ihres niedrigen Gewichts sind auch die statischen Anforderungen an die Unterkonstruktion bzw. das Trägermaterial deutlich geringer. Sie eignen sich daher besonders für die Integration in Gebäude und Objekte, z. B. in Fassaden, Überdachungen oder Gebrauchsgegenstände wie Jacken und Rucksäcke.

Im Projekt InEs soll OPV an drei Stellen Anwendung finden: in einer Fahrradgarage, einem Brotzeithaus und Straßenlaternen.

Bei der Fahrradgarage wird die vorhandene gebogene Kunststoffhülle durch eine OPV-Folie ersetzt. Diese ermöglicht das autarke Laden von E-Bikes und hebt sich ästhetisch von Fahrradgaragen mit konventionellen Photovoltaikmodulen ab. Anordnung und Design der verwendeten Elemente werden in Zusammenarbeit mit den beteiligten Herstellern festgelegt. Für den Aufbau eines Demonstrators werden ein geeigneter Solarladeregler, ein Wechselrichter, eine Ladeinfrastruktur und eventuell eine Batterie zur Pufferung an sonnenarmen Tagen ausgewählt.

Auch beim Brotzeithaus soll die OPV-Folie als geschwungene Überdachung vor dem Gebäude dienen. Der erzeugte Solarstrom deckt dann einen Teil des Energiebedarfs des gastronomischen Betriebs. Modellrechnungen dienen der Vorhersage der erzielbaren Erträge und der Auslegung weiterer benötigter Komponenten. Außerdem sind konstruktive und statische Fragen zu klären.

Zuletzt wird die teilweise Stromversorgung von Straßenbeleuchtungen durch OPV zusammen mit einem ortsansässigen Betrieb untersucht. Die verfügbare und sinnvoll belegbare Fläche auf der Straßenlaterne wird ermittelt und die Solarstromerzeugung mit dem Verbrauch verglichen. Im Projekt wird vorerst nur die Machbarkeit geprüft.

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55%

In der Industrie finden mittlerweile so genannte digitale Zwillinge von Fabriken oder Gebäuden Anwendung. Diese Simulationen dienen dazu, verschiedene Konfigurationen von Produktions- oder Versorgungsprozessen miteinander zu vergleichen und so vorteilhafte Betriebsweisen zu identifizieren. In Pilotprojekten werden Fabriken bereits in nahezu Echtzeit optimiert. Und auch die Baubranche nutzt das digitale Building Information Modelling (BIM), um Gebäude nicht nur zwei-, sondern auch dreidimensional planen zu können. Für den Wohnbereich existieren Ansätze, durch die Visualisierung von Energieverbräuchen und ihrer Auswirkungen auf das Klima das Bewusstsein der Mieter für Umweltthemen zu schärfen. Für Gewerbebauten gibt es bisher kaum vergleichbare Ansätze.

Das Projekt InEs soll Digitalisierung und Visualisierung an verschiedenen Stellen nutzen. Die Mieter im Winterling-Areal sollen ihre kurz- und langfristigen Strom- und Wärmeverbrauchsdaten auf Displays neben ihrer Eingangstür ablesen können. So erhalten die Mitarbeiter der Betriebe unmittelbare Auskunft über ihren Verbrauch und werden auch dazu angespornt, nach Einsparungsmöglichkeiten zu suchen. Besuchern des Areals werden auf einer Anzeigetafel weitere Informationen zum Energieversorgungskonzept präsentiert.

In diese Webseite soll darüber hinaus ein 3D-Modell integriert werden, das einen virtuellen Rundgang durch den Gewerbestandort erlaubt und über die installierte Technik informiert.

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5%

Die Anzahl öffentlicher Ladesäulen für E-Autos ist derzeit noch überschaubar, wird aber in naher Zukunft deutlich wachsen. Besonders in dicht besiedelten städtischen Gebieten und im Hinblick auf hohe Leistungen, wie sie für Schnelladevorgänge notwendig sind, könnte ein unkoordinierter Betrieb dieser Ladesäulen Probleme mit sich bringen. Die sogenannten Betriebsmittel der Verteilnetzbetreiber, also Kabel und Transformatoren, würden so vermehrt an ihre Belastungsgrenzen getrieben. Eine Möglichkeit, dem entgegenzuwirken, bieten stationäre Stromspeicher, also Batterien. Da solche, genauso wie Fahrzeugbatterien, mit Gleichstrom betrieben werden, können sie direkt in Ladesäulen integriert werden. Verluste durch die Wandlung von Wechsel- zu Gleichstrom fallen dann beim Laden nicht an.

Im deutschen Energiesystem existieren bereits lohnende Geschäftsmodelle für den Betrieb elektrischer Energiespeicher. Bei der Einspeisung von Strom aus direktvermarkteten Erzeugungsanlagen sind zum Beispiel im Viertelstundentakt aufgelöste Lieferpläne üblich, deren Nichterfüllung Kosten für Ausgleichsenergie nach sich zieht. Pufferspeicher gleichen kurzzeitige Engpässe durch Windflauten oder geringe Sonneneinstrahlung aus und reduzieren diese Kosten so auf ein Minimum. Netzkunden mit registrierender Leistungsmessung können mittels Speicher Bezugsspitzen minimieren und so den leistungsabhängigen Kostenanteil ihrer Stromversorgung reduzieren. Dabei wird auch das lokale Stromnetz entlastet. Die gleichzeitige Nutzung von Batteriespeichern für unterschiedliche Geschäftsmodelle kann dabei helfen, die immer noch hohen Investitionen zu amortisieren, die bei ihrer Anschaffung anfallen. Neben Batteriespeichern bieten auch regelbare Verbraucher die Möglichkeit, die Interaktion mit dem Netz zu beeinflussen. Im Projekt werden zunächst relevante Betriebsstrategien für den Batteriespeicher ausgewählt und die technischen Anforderungen derselben abgeschätzt. Danach folgt die Dimensionierung der Batterien und Umrichter. Aus juristischer Sicht liegt der Fokus auf den Zuständigkeitsbereichen der verschiedenen Marktakteure, finanziellen Aspekten wie der Belastung der Energieströme durch Umlagen sowie der Gestaltung von Verträgen zwischen den Akteuren beim Betrieb von Erzeugern, Ladeinfrastruktur und Fahrzeugen. Außerdem soll untersucht werden, in welchem Umfang Speicherkapazitäten auch für Prosumenten außerhalb des Winterling-Areals angeboten werden können und welche Nachfrage danach vorhanden ist. Für dieses Szenario bestehen aktuell noch hohe regulatorische Hürden.

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30%

In der Nähe des Winterling-Areals stellt die Firma Lallemand DHW in ihrem Schwarzenbacher Werk Backhefe her. Dieser energieintensive Prozess wird im Rahmen des Projekts InEs auf Potenzial zur Energieeinsparung untersucht und optimiert. Dabei werden auch Abwärme und anfallendes Biogas aus anderen nahe gelegenen Betrieben berücksichtigt und herangezogen.

Für die Hefeherstellung werden Strom und Wärme benötigt. Die Wärme wird in einem großen, gasbefeuerten Dampfkessel produziert. Der Dampf wird zur Reinigung der Fermenter eingesetzt und dient außerdem der Sterilisation der Melasse, die die notwendigen Nährstoffe für das Hefewachstum liefert. Strom wird zur Belüftung der Hefefermenter und Bereitstellung von Prozesskälte genutzt. Mittels dieser wird Eiswasser hergestellt, das am Ende des Herstellungsprozesses die Hefe auf Lagertemperatur kühlt. Weitere elektrische Kältemaschinen dienen der Kühlung des Lagers.

Gleichzeitig fällt aber auch Energie an: Das Hefewachstum setzt große Wärmemengen frei, die derzeit noch über die Saale abgeführt werden. Außerdem werden die Prozessabwässer von der städtischen Firma UTS GmbH zur Biogasgewinnung genutzt. Dieses dient bereits teilweise der Dampferzeugung bei Lallemand DHW, der größere Teil wird aber auf dem Winterling-Areal in zwei Blockheizkraftwerken in Strom und Heizwärme umgewandelt.

Zur Optimierung dieses Prozesses sind nun verschiedene Anwendungen thermisch und elektrisch angetriebener Wärmepumpen und Kältemaschinen denkbar:

Eine individualisierte elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpe könnte die im Kühlwasser vorhandene Abwärme nutzbar machen, ihr Temperaturniveau von 30 auf 70 bis 80 °C anheben und sie zu Heizzwecken zur Verfügung stellen.

Alternativ ließe sich die Wärme aus den Blockheizkraftwerken auf dem Winterling-Areal über ein neu gebautes Nahwärmenetz zu Lallemand DHW transportieren. Dort könnte sie direkt für Heizzwecke genutzt werden oder, mittels einer auf die niedrige Anwendungstemperatur angepassten thermisch angetriebenen Kältemaschine, Kühlwasser für die Hefeherstellung liefern.

Außerdem könnte überschüssiges Biogas aus der Abwasseraufbereitung direkt bei Lallemand DHW in einer Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungs-Anlage verfeuert werden, die dann hocheffizient Strom, Wärme und Kälte für die Produktion bereitstellt. Eine solches System könnte mittels einer speziellen Absorptionskältemaschine sowohl die heißen Abgase eines Blockheizkraftwerks als auch die auf einem viel niedrigeren Temperaturniveau anfallende Wärme des Kühlwassers nutzbar machen. Im Winter würde daraus Wärme für Melassebeheizung und Gebäudeheizung produziert, im Sommer Kälte für die Kühlungsprozesse.

Im Projekt InEs werden zunächst die vorhandenen Wärmeströme gemessen, um diese drei Konzepte hinsichtlich ihres technisch-wirtschaftlichen Potenzials bewerten zu können. Das aussichtsreichste Konzept wird dann umgesetzt.

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40%

Im Zuge des Projektes wird ein ökobilanzieller, umfassender Vergleich zwischen einer Bestandsentwicklung inklusive Sanierung, Umbau und Teilabriss gegenüber der virtuellen Errichtung eines Neubaus hinsichtlich verschiedener Wirkungskategorien erstellt. Dabei werden zwei Szenarien miteinander verglichen.

Szenario 1: Bestandsentwicklung

Die bestehende Bausubstanz wird erhalten bzw. notwendige Modernisierungen nach Möglichkeit substanzschonend durchgeführt.

Szenario 2: Neubau

Die bestehenden Gebäude werden komplett abgerissen. Nachfolgend wird ein Neubau auf „grüner Wiese“ errichtet, dabei bleiben die Nutzfläche und Kubatur des vorherigen Gebäudes erhalten.

Szenario 2a:

Das Prinzip der Energieversorgung von abgerissenen Gebäuden wird in der üblichen Form beibehalten.

Szenario 2b:

Die Energieversorgung wird innovativ und energieeffizient nach dem Konzept Plusenergiehaus neugestaltet.

Die verschiedenen Szenarien werden nun in einer vergleichenden Ökobilanz gegenübergestellt und bewertet. Anhand des Beispiels Winterling Areal Schwarzenbach werden Kriterien entwickelt, die für die energetische Bewertung der Frage Neubau oder Umnutzung zu berücksichtigen sind. Anhand eines Kataloges werden diese Kriterien gewichtet und erlauben damit eine Abschätzung, welches Vorgehen bzgl. der Umweltauswirkungen zu bevorzugen ist. Mit einer zukünftigen CO2-Bepreisung lassen sich die Umweltauswirkungen quantifizieren. So kann auch der Kostenvorteil der einen oder anderen Variante dargestellt werden.

Bearbeitungsstand des Arbeitspaketes

5%
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