Kalte Nahwärmenetze ohne Frostschutzmittel: Wie wirtschaftlich ist Wasser anstelle von Sole?
Hierbei werden Lösungen entwickelt, um den Einsatz wassergefährdender Betriebsmittel zu vermeiden. Als Grundlage dient ein reales Projekt. Es wird eine Betriebsdauer von 30 Jahren betrachtet.
Das Wichtigste in Kürze: Wasser statt Sole in kalten Nahwärmenetzen
Kalte Nahwärmenetze lassen sich auch ohne Frostschutzmittel im Netz betreiben. Eine Masterarbeit im Verbundprojekt KNB zeigt jedoch: Im untersuchten System ist Sole wirtschaftlicher als Wasser. Wasser erfordert höhere Mindesttemperaturen und größere Erdwärmesondenfelder. Dadurch steigen die Gestehungskosten um 5 ct/kWh mit Glykol-Zwischenkreisläufen und um 8 ct/kWh ohne diese Kreisläufe. Ob Wasser eine geeignete Alternative ist, hängt von den örtlichen Anforderungen, dem Flächenbedarf und der technischen Auslegung ab.
Ausgangspunkt: Ein kaltes Nahwärmenetz mit Sole
Als Referenz dient ein kaltes Nahwärmenetz mit einer Sole als Wärmeträgermedium (Bioethanol oder Glykol-Wasser-Mischung). Das System nutzt ein quadratisches Erdwärmesondenfeld mit 100 Meter tiefen Sonden und zehn Metern Abstand. Die minimale Sondeneintrittstemperatur liegt bei −3 °C. Dezentrale Sole-Wasser-Wärmepumpen versorgen die Gebäude. Der jährliche Gesamtwärmebedarf des untersuchten Quartiers beträgt 2,8 GWh.
Das Sondenfeld wird im Sommer durch eine passive Kühlung der Gebäude und durch eine zusätzliche Wärmequelle regeneriert. Dafür wurden ein Luftwärmetauscher (LWT) und alternativ eine Photovoltaik-Thermie-Anlage (PVT) betrachtet. Da beide Ausführungen wirtschaftlich sehr ähnliche Ergebnisse liefern, werden sie als gemeinsame Grundvariante behandelt. Bei der PVT-Variante wird nur der thermische Anteil bewertet. Der PV-Kostenanteil wird aus den Investitionskosten herausgerechnet, die Stromerzeugung wird nicht auf den Strombedarf des Systems angerechnet. Die höheren PVT-Investitionen werden in der Berechnung weitgehend durch entfallende Stromkosten für den Ventilatorbetrieb ausgeglichen. Die dargestellten Simulationsergebnisse beziehen sich auf das 25. Betriebsjahr.
Die Aufschlüsselung der Wärmedeckung wird in Abbildung 1 dargestellt und der Aufbau des Netzes durch das Hydraulikschema in Abbildung 2.
Variante 1: Wasser im Netz, Glykol-Zwischenkreislauf an den Wärmepumpen
Wird das kalte Netz mit Wasser als Wärmeträgermedium betrieben, muss ein frostfreier Betrieb sichergestellt werden. In dieser Variante darf die minimale Sondeneintrittstemperatur 2 °C nicht unterschreiten, da sonst die Gefahr von Frostschäden besteht. Zwischen dem Wassernetz und den dezentralen Sole-Wasser-Wärmepumpen befinden sich durch Wärmetauscher verbundene Glykol-Zwischenkreisläufe. Das Netz selbst kommt ohne Frostschutzmittel aus. An den Wärmepumpen bleiben jedoch räumlich begrenzte glykolhaltige Kreisläufe bestehen.
Die höhere Mindesttemperatur begrenzt die thermische Ausnutzung des Untergrunds. Um den gleichen Wärmebedarf zu decken, wird ein 60 % größeres Erdwärmesondenfeld benötigt. Gegenüber der Sole-Grundvariante steigen die Investitionskosten daher um rund 57 %. Zusätzlich entstehen Investitionskosten für die Glykol-Zwischenkreisläufe.
Die höhere Vorlauftemperatur der Wärmepumpe verbessert dessen Effizienz. Dadurch sinkt die Annuität der bedarfsgebundenen Kosten gegenüber der Sole-Ausführung mit LWT um rund 6 %. Dieser Vorteil reicht im untersuchten System jedoch nicht aus, um die höheren Investitionen auszugleichen. Die Gestehungskosten steigen um 5 ct/kWh an. Die CO2-Emissionen des Strombedarfs sinken um 5,3 %.
Variante 2: Wassernetz ohne Glykol-Zwischenkreislauf
Soll auch auf die Glykol-Zwischenkreisläufe verzichtet werden, kommen in der untersuchten Variante Wasser-Wasser-Wärmepumpen zum Einsatz. Die VDI 4640 gibt eine minimale Rücklauftemperatur von 4 °C vor. Entsprechend wird in der Simulation eine minimale Sondeneintrittstemperatur von 4 °C angesetzt.
Um der höheren Temperaturanforderung gerecht zu werden, vergrößert sich das erforderliche Sondenfeld. Die Sondenanzahl erhöht sich um 58 % gegenüber der Grundvariante mit Sole. Die Investitionskosten der Erdsonden erhöhen sich um 104 % und haben sich damit mehr als verdoppelt. Der Flächenbedarf nimmt um 114 % zu. Die Investitionskosten des Wärmeträgermediums steigen um rund 11 % gegenüber bspw. einer Ethylenglykol-Wasser-Mischung.
Zwar entfallen die Glykol-Zwischenkreisläufe und die Annuität der bedarfsgebundenen Kosten sinkt gegenüber der Sole-Ausführung mit LWT um rund 8 %. Die Kosten durch die zusätzliche Sondenanzahl überwiegen diese Einsparungen jedoch deutlich. Die Annuität der kapitalgebundenen Kosten steigt um 31 % und die der betriebsgebundenen Kosten um 47 %. Die Gestehungskosten steigen um 8 ct/kWh an. Damit ist diese Variante die teuerste der hier präsentierten Lösungen. Die CO2-Emissionen des Strombedarfs sinken um 7,6 %.
Die Ergebnisse im Vergleich
Die folgende Tabelle stellt die Ergebnisse der verschiedenen Varianten dar. Die Wirtschaftlichkeit wurden mit der VDI2067 berechnet. Die prozentualen Veränderungen sind im Vergleich zum Grundsystem mit Sole und einer minimalen Sondeneintrittstemperatur von -3 °C dargestellt.
| Wasser 2 °C | Wasser 4 °C | |
| Glykol-Zwischenkreislauf | Ja | Nein |
| Investitionskosten Wärmeträgermedium | -4 % bis -33 % | -14 % bis +22 % |
| Investitionskosten EWS | +57 % | +104 % |
| Annuität der kapitalgebundenen Kosten | +19 % | +31 % |
| Annuität der bedarfsgebundenen Kosten | -6 % | -8 % |
| Annuität der betriebsgebundenen Kosten | +28 % | +47 % |
| Änderung Gestehungskosten Ct/kWh | +5 | +8 |
Der größte Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit geht von der Dimensionierung des Erdwärmesondenfelds aus. Mehr Sonden erhöhen Investitionskosten und Flächenbedarf. Höhere Temperaturen des Wärmeträgermediums verbessern die Effizienz der Wärmepumpen und senken dadurch den Strombedarf. Die Berechnung der Kohlenstoffdioxid-Emissionen basiert auf dem deutschen Strommix. Dabei werden die Szenarien aus dem Ariadne-Report als Grundlageangenommen. Die jährliche CO₂-Intensität sinkt bis 2045 gegen null und wird bis 2050 leicht negativ. Deshalb nähern sich die Gesamtemissionen über die 30 Betriebsjahre einem Wert an.
Die kumulierten Ausgaben werden auch in den folgenden Grafiken über 30 Jahre Betriebsdauer dargestellt.
Weitere untersuchte Sensitivitäten
Zusätzlich wurden ein langgestrecktes Sondenfeld mit 2×N-Geometrie, ein Wasserbetrieb ohne zusätzlichen Luftwärmetauscher und Varianten mit PVT anstelle des LWT untersucht. Diese Varianten werden im vorliegenden Beitrag nicht vertieft.
Die Untersuchungen zeigen ergänzend, dass auch die Feldgeometrie und das Regenerationskonzept die Dimensionierung und Wirtschaftlichkeit beeinflussen. Eine langgestreckte Anordnung kann die natürliche Regeneration verbessern und der Verzicht auf den LWT erfordert im untersuchten Wasserbetrieb dagegen ein größeres Sondenfeld.
Fazit: Wasser ist möglich, aber nicht wirtschaftlicher
Sole ist im untersuchten System aufgrund des geringeren Sonden- und Flächenbedarfs die wirtschaftlichste Lösung. Wasser ermöglicht ein frostschutzmittelfreies Netz, erfordert jedoch mehr Erdwärmesonden. Gegenüber Sole steigt die Gesamtannuität mit Glykol-Zwischenkreisläufen um rund 15 % und ohne Zwischenkreisläufe um rund 25 %. Letztere Variante ist damit am teuersten. Den wirtschaftlichen Einfluss des Flächenbedarf, welcher beispielsweise durch mögliche Kosten für den Erwerb der Flächen aufkommt, wurde in der Wirtschaftlichkeitsberechnung nicht berücksichtigt.
Für Projekte in Wasserschutzgebieten sollte deshalb geprüft werden, ob umweltfreundliche Wärmeträgermedien wie Bioethanol Sondergenehmigungen erhalten können. Ist das nicht möglich, kann Wasser im Netz mit Glykol-Zwischenkreisläufen wirtschaftlich günstiger sein als der vollständige Verzicht auf Zwischenkreisläufe. Zusätzliche Regeneration durch LWT, PVT oder andere Wärmequellen sowie eine möglichst nicht quadratische oder runde Sondenfeldgeometrie können den Sonden- und Flächenbedarf reduzieren. Die Geometrie lässt sich in der Praxis allerdings häufig nicht frei planen.
Die Ergebnisse bieten daher eine Orientierung; sie müssen für jedes Projekt gesondert bewertet werden. Zudem kann es weitere sinnvolle Varianten und Alternativen geben, die im Rahmen der Masterarbeit nicht untersucht wurden.