Nahwärme

Darunter versteht man eine zentrale Wärmeerzeugung, mit der verschiedene Abnehmer über ein Leitungsnetz mit Wärme versorgt werden. Die Anzahl der Abnehmer kann dabei sehr variieren, von nur ein paar Wenigen bis zu großen Netzen mit tausenden Abnehmern. Die Abnehmer zahlen dabei die tatsächlich gelieferte Wärmemenge, nicht den eingesetzten Brennstoff.

Den Begriff Nahwärme gibt es eigentlich nur umgangssprachlich, technisch spricht man eher von Fernwärme. Es gibt aber an sich keine Unterscheidung zwischen Nah- und Fernwärmenetzen, man spricht nur bei kleinen lokalen Netzten mehr von Nahwärmenetzen. Erst bei großen Entfernungen spricht man umgangssprachlich auch von Fernwärmenetzten.

In diesem Gebäude findet die Wärmeerzeugung und Steuerung des Nahwärmenetzes statt. Oftmals sind hier die Kessel, Pufferspeicher, etc. untergebracht. Von dort aus wird das Netz mit Wärme versorgt. Kleinere Netze haben oftmals nur eine Energiezentrale, bei größeren Netzten wird oftmals mit mehreren Energiezentralen gearbeitet, die miteinander das Wärmenetz mit Energie versorgen

Die thermische Energie wird über erdverlegte Rohrleitungen von der Energiezentrale zu den angebundenen Anschlussnehmern transportiert. Um dabei möglichst wenig Wärmeverluste zu haben, sind die Rohrleitungen mit einer dichten Dämmung ummantelt. Eine stabile Außenhaut schützt die Rohrleitung zusätzlich vor Beschädigungen durch Steine und Erdreich. Die Leitungen werden dabei in der Regel einen Meter tief im Boden verleget. Es gibt mehrere Möglichkeiten, welche Materialen für die Rohrleitungen genutzt werden, die BEN nutzt im Normalfall eine Kombination aus Stahlleitungen und flexible Kunststoffmediumrohre (PEX-Leitungen). Stahlleitungen haben den großen Vorteil einer hohen Druck- und Temperaturbeständigkeit bei einer langen Lebenszeit. Die PEX-Leitungen werden von uns genutzt, um die Hausanschlüsse an das Verteilnetz anzuschließen. Hier ist der große Vorteil, dass diese Leitungen flexibler und auch mit leichten Bögen verlegt werden können.

Bei jedem Anschlussnehmer wird eine Übergabestation installiert, wo die thermische Energie an das Hausnetz abgegeben wird. Die Wärme des heißen Vorlaufs des Netztes wird über einen Gegenstrom-Plattenwärmetauscher an das Heizungswasser des Hausnetztes abgegeben. Der Plattenwärmetauscher besteht aus vielen flachen Platten, wo nebeneinander in gegenläufiger Richtung Heizungswasser und Wärmenetzwasser fließt, sodass dort ein Energieübertrag stattfindet. Je größer die angeschlossene Leistung, desto größer wird dieser Plattenwärmetauscher. Aus der Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf und des Volumenflusses misst der Wärmemengenzähler die übertragene Wärmemenge, die mit dem Anschlussnehmer abgerechnet wird. Jede Übergabestation besitzt eine Steuerung, die zum einen zur Steuerung der Übergabestation dient, zum anderen kann die Steuerung auch die Steuerung der Heizkreise im Netz des Anschlussnehmers übernehmen. Meistens übernimmt diese Funktion der Heizungskessel, der aber im Zuge des Anschlusses an das Wärmenetz ersetzt wird. Standardmäßig können drei Heizkreise darüber gesteuert werden, die Steuerung kann aber noch erweitert werden, sollten mehr Heizkreise vorhanden sein.

Ein Biomasseheizwerk ist eine Anlage in der zur Erzeugung von Wärme nachwachsende Rohstoffe wie Waldhackgut, Sägereste, Stroh oder Restholzpellets verbrannt werden. Diese Biomasse ist im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen ein nachwachsender Energieträger und somit weitestgehend CO2-neutral. Die Brennstoffe werden in der Regel in einem großen Lagerraum (Bunker genannt) eingefüllt. Von dort aus wird der Brennstoff geregelt in einen Biomassekessel gefördert und verbrannt. Die auftretenden Abgase werden anschließend sehr intensiv gefiltert, bevor diese an die Umwelt abgegeben werden. In den seltensten Fällen findet eine Abgasreinigung bei privaten Heizungsanlagen statt. Im Vergleich zu einem Biomasseheizwerk wird in einem Biomasseheizkraftwerk neben Wärme auch Strom erzeugt Dabei wird der Strom oftmals mit einer Turbine erzeugt, aus den Abgasen wird dann die Wärme ausgekoppelt. Aufgrund des hohen technischen und finanziellen Aufwands wird dies aber erst bei sehr großen Kraftwerken praktiziert. Eine Ausnahme bilden dabei kleine Holzvergaseranlagen, die es bereits in sehr kleinen Leistungen gibt. Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit dieser kleinen Anlagen stellt eine ganzjährige Nutzung der erzeugten Energie und eine hohe Laufzeit der Anlage dar. Diese Anlagen sind aber betriebstechnisch sehr aufwendig und benötigen regelmäßige Wartungen.

Blockheizkraftwerke arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip als Biomasseheizkraftwerke. Durch eine Verbrennung werden Strom und Wärme produziert. Als Verbrennungsprinzip wird hier mit einem Motor gearbeitet. Als Einsatzstoffe dienen hier flüssige und gasförmige Medien. Der am meisten verbreitete Einsatzstoff dürfte momentan Erdgas darstellen. Im Zuge der weiter fortschreitenden Dekarbonisierung der Wärmeerzeugung werden aber diese Blockheizkraftwerke nach und nach mit regenerative Einsatzstoffe umgestellt werden, wie zum Beispiel Methan (Biogas) oder Methanol.

Großwärmepumpen starten bei ca. 100kW und können Leistungen von mehreren MW erreichen. Die Funktionsweise von Großwärmepumpen unterscheidet sich nicht von Wärmepumpen, die für ein Einfamilienhaus konzipiert sind. Diese sind nur größer konzipiert und angepasst an die höheren Anforderungen. Eine Wärmepumpe nutzt grundsätzlich das gleiche Prinzip wie ein haushaltsüblicher Kühlschrank, nur in umgekehrter Richtung. Dazu nimmt ein Medium, meist ein Frostschutzmittel, Umgebungsenergie auf. Dies kann Umgebungsluft oder auch zum Beispiel Erdwärme sein. Das Medium wird dann durch einen Verdichter unter Druck gesetzt, wodurch sich das Medium weiter erwärmt. Das heiße Medium gibt dann die Energie an das Heizungswasser ab. Dabei entspannt sich das Medium und wird durch eine Drossel wieder in das Ausgangsdruckniveau gebracht. Es ist dabei wichtig, dass dem System immer Energie zugeführt wird, da sonst so viel Energie gezogen wird, dass das Medium einfrieren kann. Da es bei klassischen Nahwärmenetzen eine hohe Temperaturspreizung zu überwinden gilt, von z.B. 4°C Lufttemperatur auf 80°C Vorlauftemperatur können auch zweistufige Wärmepumpensystem genutzt werden. Wärmepumpen haben erst in den letzten Jahren deutlich an Beliebtheit gewonnen. Durch den weiteren Ausbau der erneuerbaren Energie steigt das Stromangebot zu bestimmten Zeiten und der Bedarf an flexiblen Abnehmern steigt. Eine Wärmepumpe kann hier unterstützten, indem bei einem Überangebot die Pufferspeicher aufgeladen werden und bei einem Strommangel die Wärmpumpe zurückgefahren wird.

Dies stellt eine sehr interessante, aber auch nur begrenz verfügbare Energiequelle dar. Grundsätzlich entsteht Abwärme bei fast allen industriellen Prozessen. Meist wird die Abwärme aber nur an die Umgebung abgegeben. Für eine Nutzung der Abwärme kommt nicht jede Abwärmequelle in Betracht. Entscheidend sind hierbei die Wärmemengen und das Temperaturniveau. Je höher das Temperaturniveau, desto einfacher ist die spätere Nutzung. Als Option kann ein zu niedriges Temperaturniveau mit einer Wärmepumpe auf ein höheres Niveau gehoben werden , da für eine Abwärmeauskopplung besonders die hohen Temperaturen interessant, die oft nur an wenigen Punkten verfügbar sind. Im industriellen Umfeld finden sich auch weitere Abwärmequellen. Diese werden meistens bereits in den eigenen Betrieben genutzt. Die häufigste Nutzung von Abwärme im ländlichen Raum findet sich bei Biogasanlagen. Hier wird die Abwärme der Biogasmotoren genutzt, mit denen in erster Linie Strom erzeugt wird. Aufgrund der flexiblen Fahrweise der Stromproduktion ist in den meisten Fällen ein Pufferspeicher verbaut. Es bietet sich auch an, Abwärmequellen als Ergänzung in ein Nahwärmenetz einzubinden. Die Wärmeabnahme ist saisonal sehr unterschiedlich, so wird in den Sommermonaten nur ein Bruchteil der Wärme benötigt. Hier kann bereits eine kleine Abwärmequelle eine ausreichende Leistung zur Verfügung stellen. Da die Wärme anderweitig nicht genutzt werden würde und nur an die Umwelt abgegebene werden würde, ist diese Wärmequelle als sehr erstrebenswert anzusehen und sollte wenn möglich in ein Nahwärmenetz eingebunden werden.

Bei einer Brennstoffzelle wird chemische Energie direkt in Elektrizität und Wärme umgewandelt. Hauptbestandteile einer Brennstoffzelle sind zwei poröse Elektroden, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet. In einer Brennstoffzelle wird aus der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser die Energie gewonnen. Dazu werden Wasserstoffmoleküle gespalten, die Protonen wandern durch den Elektrolyten zu den Sauerstoffmolekülen und reagieren zu Wasser. Die freiwerdenden Elektronen werden zu den Verbrauchern geleitet und bilden den Stromfluss. Dabei wird praktisch eine Spannung von bis zu einem Volt erzielt. Für eine hohe Gesamtspannung werden mehrere Zellen in einem Stapel in Reihe geschalten, dieses sogenannte Stack ist der Hauptbestandteil jedes Brennstoffzellen-Heizkraftwerks. Es sind Vorlauftemperaturen von 74°C möglich, der Rücklauf sollte zwischen 30-50°C liegen. Im Unterschied zu Blockheizkraftwerken liegt bei einer Brennstoffzelle der Fokus mehr auf die Stromerzeugung als die Wärmeerzeugung. Anteilig wird ein deutlich geringer Teil an Abwärme erzeugt als bei einer Verbrennung. Aufgrund der anspruchsvolleren Technik und der dadurch teuren Investition ist diese Technik momentan noch nicht so weit verbreitet, es ist aber eine steigende Nachfrage und weitere Innovationen am Markt zu erkennen.