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2. Technik

2.1. Intro


Alle Einzelprojekte müssen separat geplant werden, angepasst an die aktuellen Gegebenheiten (ökologisch, demographisch, geographisch, geologisch).
Hier kann es sich nur um den Versuch handeln, zunächst aus dem Fundus der durchgeführten theoretischen Untersuchungen heraus einen denkbaren Prototyp dieser Heizanlagen zu beschreiben, daneben einige Ansätze zu vorstellbaren Varianten.

Im anschließenden Kapitel "Szenario" gestatten einige konkrete Beispielszenarien Überschlagsrechnungen, die mittels Kalkulationstabellen durchgeführt wurden und die zu den dargestellten Ergebnissen führen. Alles kann unter Tabellen nachgeprüft werden. Die einbezogenen Parameter, wie Einwohnerzahl, Wohn- und Gewerbefläche, Energieverbrauch, Speicher- und Verteilungsverluste, Kollektorerträge, Bodenkennzahlen u.s.w. lassen sich in den Formaten ods oder xlsx auch für eigene Berechnungen anpassen und verändern. Man findet sie mit genauer Bezeichnung, Einheit und Quellenvermerk in den blau unterlegten Eingabefeldern der Szenarien-Tabellenblätter "e" und "t". Verwendete Begriffe und Maßeinheiten können nachgeschlagen werden unter Fachbegriffe , Einheiten.
Für Eilige vorab der Blick auf eins der Beispiele: Szenario Röbel (von den im Überblick gelisteten Tabellenblättern e,t,h,u,s: "t" anklicken) . Voreingestellt ist hierbei die ausschließliche Verwendung eines externen Kollektorfeldes, ohne Beteiligung innerstädtischer Potentiale, wodurch in der universell angelegten Tabelle einige der Spalten ihre Bedeutung verlieren und durchgehend konstante Werte zeigen. Die html- Formate enthalten keine Berechnungsformeln und keine Möglichkeiten zur Anpassung.

Nach einer einführenden Darstellung wird zu drei grundlegenden Bausteinen untergliedert:


Entsprechend der Beschreibung der Startseite geht es um Einheiten zur Wärmeversorgung von mehreren tausend Menschen, die nach einer Übergangszeit zur Anpassung der Gebäudesubstanz auf Niedrigtemperaturheizung komplett ohne Kohle, Öl, Gas, Wärmepumpen und damit ohne intensiven Einsatz von Elektroenergie auskommen. Lediglich zum Betrieb der Umwälzpumpen und zur Anlagensteuerung wird Strom benötigt, dann nur noch ca. 3% bezüglich der bereitgestellten Heizenergie.
Für die Jahre dieser Übergangszeit wird durch Heizkraftwerke und eine dritte, höher temperierte Leitung die sichere Versorgung auch aller noch nicht angepassten Gebäude garantiert, mit einem solaren Deckungsgrad von ca. 50%, zunehmend.

Eine besondere Wärmedämmung der Saisonspeicher mit marktüblichen Materialien ist wegen ihrer Größe nicht notwendig.
Detaillierte Aussagen zur physikalisch und ökonomisch sinnvollen Mindestgröße solcher Heizanlagen muss letztlich die Auswertung bestehender Projekte und die Zusammenarbeit unter Heliogaia liefern. Die hier geführten theoretischen Betrachtungen ergeben etwa 5000 Menschen als Mindestabnehmerzahl. Bei geringeren Zahlen steigen die relativen Wärmeverluste der Saisonspeicher wegen des ungünstigeren Volumen- Oberflächen- Verhältnisses rasch auf unrentable Werte an. Das Szenario Rietz mit 3400 Anschließern und einem Speichervolumen von rund 600.000 m³ zeigt bereits Jahresverluste von etwa 30% bezüglich der eingespeicherten Wärme.
Die Maximalgröße eines Versorgungsgebietes wird durch die Leitungslängen und damit die tolerierbaren Verluste im Verteilungssystem begrenzt.

Fiktiv könnte ein Stadtteil oder eine Gemeinde mit angenommen 10.000 Abnehmern, beispielsweise Luckau in Brandenburg, ein Wärmenetz betreiben,
Mit weniger als 40°C lässt sich kaum zuverlässig heizen, über 80°C neigt das Speicherwasser zu verstärkter Verdunstung und damit zu erheblichem Wärmeaustrag.

Das Kollektorfeld sorgt im Sommer für die Aufladung des Saisonspeichers auf etwa diese 80 Grad. Daraus wird im Winter über das Verteilungsnetz geheizt, bis im April der Speicher auf 40 Grad entladen ist und alles von vorn beginnt. Als Trägermedium dient Wasser.
Abweichend muss im ersten Jahr eher und/oder mit mehr Leistung begonnen werden, um von den aktuellen 10 Grad Bodentemperatur zunächst auf 40 und dann auf 80 Grad zu kommen. Generell brauchen die zwei oder drei Anfangsjahre mehr Leistung, bis sich auch das den Speicher unmittelbar umgebende Erdreich entsprechend aufgeheizt hat.


2.2. Wärmequelle, Kollektorfeld


Wenn es ökologisch und landschaftsästhetisch vertretbar ist, lassen sich Kollektorfelder am einfachsten in der Nähe von Speicher und Verbraucher einrichten, weitgehend mit günstigen Flachkollektoren bestückt oder mit abgedeckten Hybridkollektoren (PVT, wärmeoptimiert) zur parallelen Stromerzeugung. Wegen der relativ hohen Temperaturen für die Endbeladung des Speichers müssen auch Röhrenkollektoren nachgeschaltet werden. Die Eingrenzung der Verschattungsverluste auf z.B. 4% vergrößert den Flächenbedarf im Kollektorfeld gegenüber der Brutto-Kollektorfläche um den Faktor 2,75. Dadurch ergeben sich relativ große Vereinnahmungen, die aber zur Bewuchsbegrenzung weiterhin landwirtschaftlich genutzt werden müssen. Sicherheitsbedingte Einzäunung ermöglicht z.B. wolfssichere Tierhaltung zwischen den Kollektorreihen. Auch der Naturschutz hat solche Flächen für sich entdeckt, z.B. als Rückzugsgebiet für bedrohte Arten oder zur Regeneration jahrelang überanspruchter Böden [149]. Eine enge Zusammenarbeit mit Landwirtschaft und Naturschutz ist somit von vornherein sinnvoll.
Eine hoch aufgeständerte Bauweise der Kollektoren erlaubt sogar den nahezu störungsfreien Weiterbetrieb der angestammten Landwirtschaft, bei allerdings erheblichem Mehraufwand für die Installation. Dies alles wird oft unter dem Namen "Agriphotovoltaik" behandelt und ist mit Solarthermie analog umsetzbar.

In den meisten Fällen erscheint es aber sinnvoll, die innerstädtischen Flächenressourcen einzubeziehen (Dächer, Fassaden, Böschungen, ...). So verbleibt die erzeugte Wärme zunächst direkt am Verbraucher und muss nicht mit Verlusten transportiert werden. Das ist dann übers ganze Jahr gesehen bereits die Hälfte der gesamten Wärmeversorgung.
Die Nutzung der Fernwärmeleitung erfolgt in beiden Richtungen. Es entstehen größere Herausforderungen an die Organisation der Prozesse. Die hauseigenen Anlagen werden im Unterschied zur bisherigen Praxis maximal mit Kollektoren bestückt, ohne jemals aus Überhitzung in Leerlauf treten zu müssen. So werden auch im Sommer große Energiebeträge auf hohem Temperaturniveau eingesammelt und zum Saisonspeicher abgeführt. Der hauseigene Speicher dient als Puffer für die Aufnahme der Tagesration.

Sollte der Wärmebedarf in Zukunft unter die geplanten Werte absinken, lässt sich darauf durch Verringerung der Speicher-Arbeitsspanne und der Kollektorfläche oder durch Ausdehnung des Versorgungsgebietes reagieren. Verluste und Kosten sinken gleichermaßen.

2.3. Jahreswärmespeicher, Saisonspeicher


Als Saisonspeicher wird ein bestimmtes Bodenvolumen direkt unter der Erdoberfläche definiert, am besten in Form eines Zylinders. Die geringste relative Oberfläche ergibt sich bei Gleichheit von Durchmesser und Tiefe. Abweichungen davon, die z.B. durch geologische, technische oder rechtliche Beschränkungen gefordert sein können, müssen durch höhere Verluste erkauft werden. Saisonspeicher befinden sich möglichst nahe bei Abnehmer und Erzeuger. Maßgebend für die bauliche Ausgestaltung sind die vorgefundenen Geländebedingungen, woraus sich Varianten ergeben:

  1. Ein homogener, gut wasserdurchlässiger Sedimentkörper mit hohem Grundwasserstand ermöglicht die geschichtete Be- und Entladung mit Wärme über einige Brunnen. Diese als Hauptvariante betrachtete Möglichkeit ist in Bild 1 symbolisch dargestellt.
  2. Möchte man den Wasser-Kreislauf ohne die Nachteile eines direkten Kontakts mit dem Erdkörper führen, so wird die Wärmeübergabe durch u-förmige oder besser konzentrische Sonden realisiert, die man mit wenigen Metern Abstand voneinander in sehr großer Zahl bis auf die Sohle des Speichers senkrecht in den Boden bringen muss. Das führt zu sehr hohem Bohraufwand, ist aber bei dichten oder felsigen Böden ohnehin nicht anders möglich.
  3. Eine weitere Variante ist die horizontale Durchbohrung von Geländeerhebungen geeigneter Größe, mit dem Vorteil, dass einfache Rohre verwendet werden können. Vor- und Rücklauf liegen dadurch nicht so dicht beieinander wie bei vertikalen Sonden, welche beides in einem Bohrloch realisieren müssen.
  4. Ohnehin offene Gruben, z.B. Braunkohle-Tagebaue, könnte man nutzen, um einen Teil des Abraums durch den Einbau geeigneter Rohrstrukturen sinnvoll als Wärmespeicher aufzusetzen.

Die folgenden Ausführungen, insbesondere die genannten Preise, favorisieren die erste Variante und müssen ansonsten sinngemäß angepasst werden.

Schema der gesamten Anlage
Bild 1: Schema der gesamten Anlage für ausreichend durchlässige Böden, nicht maßstäblich
1: kalter Pufferspeicher
2: Speicher"haut" mit vertikaler Dichtwand
3: heiße Bohrung
4: heißer Pufferspeicher
5: Abdeckung
6: kalte Bohrung
7: Fernheizleitungen, Vor- und Rücklauf


Zum Laden wird das heiße Wasser in der Nähe des Zentrums von oben her in den Speicherkörper eingeleitet und das kalte Wasser peripher aus der Tiefe heraus den wärmenden Kollektorflächen zugeführt. Die Entladung geschieht umgekehrt durch das Fernwärmenetz.
Anzahl und Durchmesser der einzubringenden Bohrungen und Filter richten sich nach den Fließverhältnissen im Bodenkörper.
Auch Zugänge für Wasser mittlerer Temperatur, welches gelegentlich eingelagert oder gehoben werden muss, sollen angebracht werden.
Das Speicherwasser enthält, durch die hohen Temperaturen gelöst, größere Mengen mineralischer Bestandteile aus dem Boden, das Kollektorfeld eventuell Frostschutzmittel (wenn es nicht bei fehlender Pumpaktivität leer laufen kann). Um die verschiedenen Qualitäten der Wärmeträger voneinander trennen zu können, sind an den Übergabestellen Wärmetauscher nötig. Sie bringen Wärmeverluste und benötigen wegen der Belagsbildung durch Bodenmineralien zyklisch Regeneration oder Austausch, also einen laufenden Arbeits- und Materialeinsatz. Das ist der Nachteil offener Wasserführung.

Zur Vermeidung von teurer Überdimensionierung im Zuleitungssystem des Hauptspeichers müssen Wasserbehälter als Puffer die Tagesspitze ausgleichen. Das können zwei betonierte Bereiche passender Größe unter der Geländeoberfläche sein, der heiße in der Mitte, der kalte am Rande außerhalb des Speicherzylinders. Der periphere Puffer füllt sich durch Pumpen aus den unteren Regionen das Saisonspeichers kontinuierlich mit kaltem Wasser. Morgens sollte er voll sein. Bei einsetzender Sonnenstrahlung gelangt dieses Wasser zum Kollektorfeld und anschließend mit hoher Temperatur in den zweiten Pufferspeicher. Der ist abends voll und wird ständig ins obere Zentrum des Saisonspeichers entleert.

Folgende Arten von Wärmeverlusten aus dem Saisonspeicher sind zu erwarten, abzuschätzen und nach Möglichkeit einzuschränken:
Der Wärmeverlust nach oben sollte verringert werden durch eine die Ränder überlappende Aufschüttung von zwei oder drei Meter trockenem, sandigem Füllboden, eingeschlossen in zwei horizontale wasserdichte Folien. Um Durchnässung zu vermeiden bzw. abzuleiten, muss alles zu den Rändern hin ein leichtes Gefälle erhalten.
Die vor Verbiss zu schützenden Folien halten den Dämmsand trocken und verhindern das Eindringen von Niederschlagswasser in den Speicher sowie insbesondere auch den zu erwartenden Wärmeaustrag durch verdunstende Feuchtigkeit aus dem Speichervolumen. Mit jedem Kubikmeter verdunstetem Wasser entweichen knapp 700 kWh Wärme. Das könnten ohne Maßnahmen zur Verhinderung bei 80°C erhebliche Mengen sein.
Die obere Folie wird mit einer Meterschicht Füll- und Mutterboden abgedeckt und als Option auch leicht bebaut, vielleicht mit Gärten, Gewächshäusern oder Kollektoren.
Niederschlagswasser wird mittels Drainage in entferntere Oberflächengewässer abgeleitet oder anderweitig verwendet. Jährlich sind das bei einer Anlagengröße für 10.000 Anschließer 5.000 bis 10.000 m³.

Um ein Abdriften der gespeicherten Wärme durch den Grundwasserfluss und kapillare Konvektionsströme zu verhindern, kann eine gegen die Umgebung dichtende vertikale Schlitzwand nötig werden (FAQ, Frage 12). Waagerecht unter dem Speicher ist das als Baumaßnahme nicht erforderlich und wäre wohl auch kaum realisierbar. Diese Schlitzwand muss zur Vermeidung der Verdunstungsverluste dampfdicht an der unteren Folie der Abdeckung anliegen.
Gegen horizontal fließendes Grundwasser kann auch eine unsymmetrische Be- und Entladung des Speichers sinnvoll sein.

Die gerechneten Szenarien setzen Abdeckung und Schlitzwand voraus, mit einem Aufwand von maximal 2% der Gesamtinvestition.

Werden die meisten Verlustarten durch diese Maßnahmen für das Innere des Speichers vermindert, so kann auch das Abfließen der Wärme aus der näheren Umgebung noch Einfluss haben. Dazu wurden Abschätzungen vorgenommen.

Besonders stark werden aber die relativen Speicherverluste durch die absolute Größe, letztlich durch die Abnehmerzahl beeinflusst. Die Ergebnisse der hierzu vorgenommenen Berechnungen sind in Bild 2 zusammengefasst. Sie liegen bei einer Abnehmerzahl von 100.000 bereits deutlich unter 10%.

Verluste
Bild 2: Speicherverluste als Funktion der Abnehmerzahl, willkürliche Tiefenbegrenzung: 140m


Die idealen Voraussetzungen für den Bau des Speicherkörpers zusammengefasst:

Die Abschätzung der Speicherverluste wurde u.a. mit der Kalkulationstabelle "zylindermodell007.ods" vorgenommen und befindet sich unter Kapitel 2.5.

2.4. Verteilsystem, Fernheizungsnetz


Das Netz besorgt den Wärmetransport. Angestrebt werden kurze, genau dimensionierte und hervorragend gedämmte Leitungen. Sie müssen zügig durchflossen werden. Stehendes oder zu langsam fließendes Wasser hält auch bei bester Dämmung seine Wärme nicht. Zu Übergangszeiten kann auch in mehrstündigen Abständen gepulstes Pumpen sinnvoll sein, um Pufferspeicher in den Gebäuden zu füllen.
Die Übertragungsverluste diktieren sinnvolle Maximallängen für Wärmetrassen, wodurch ein Versorgungsgebiet und dadurch die Speichergröße beschränkt bleiben. Diese Begrenzung steht bei dünner Besiedlung dem Erfordernis nach großem Speichervolumen entgegen.
Die meisten Ortschaften in Deutschland liegen aber so nahe beieinander, dass ein Zusammenschluss von jeweils drei oder mehr Gemeinden um einen Speicher fast immer möglich erscheint.
In Ballungsgebieten sind Haupttrassen mit Durchmessern um 2 m denkbar, welche wegen des zügigeren Durchflusses auch 100 km lang sein könnten, bei Verlusten um 1%. Dadurch wird es möglich, Speicher und Kollektorfelder auch in größerer Entfernung, also außerhalb von Metropolen anordnen zu können (siehe "Berlin Hauptverteilung" unter Tabellen).

Einen Einblick in Machbares liefern die Szenarien im Anschluss.

Für eine Übergangszeit, bis zum Erreichen des Sanierungzieles von durchschnittlich 80kWh/a/m², wird zusätzlich zu Vor- und Rücklauf eine weitere, höher temperierte Leitung benötigt, insgesamt also:
  1. Leitung:Vorlauf >60°C
  2. Leitung:Vorlauf >40°C
  3. Leitung:Rücklauf <28°C
Unterschiedliche Tarife regeln die Entnahmeprioritäten.

Später genügen zwei Leitungen.
Mit 40 Grad Mindesttemperatur im Vorlauf kommen auch ältere Gebäude noch zurecht, bis zu einem Verbrauch von 180 kWh/m²/a (36-iger Ziegelmauer, herkömmliche Doppelfenster, 10cm Dämmung im Dach, 5cm Dämmung unter Fußbodenheizung, bis zu Außentemperaturen von -12°C). Bedingung sind hierbei aber Niedrigtemperatur- Flächenheizungen (Fußboden-, Decken- oder Wandheizung). Berechnungen dazu: siehe Durchschnittshaus
60 Grad benötigen noch alle konventionell versorgten Gebäude und bestimmte gewerbliche Abnehmer. Da der Speicher aber nicht ganzjährig 60 Grad liefert, muss diese Leitung zeitweise auf das erforderliche Niveau gehoben werden. Zur effektiven Versorgung von Wärmepumpen wäre die Rücklaufleitung geeignet.
Alternativ erscheint der Einsatz von Gas oder/und Biomasse in saisonal betriebenen Blockheizkraftwerken (BHKW) in der Überbrückungsperiode sinnvoll und wird für die Abschätzungen zu den Szenarien verwendet.

Bestehende Fernwärmenetze sind vielfach veraltet, schlecht isoliert und für höhere Temperaturen ausgelegt. Sie können also kaum einbezogen werden. Zudem erfordert Heliogaia eine wesentliche Ausweitung der Versorgungsgebiete. Daher ist ein Neubau der Leitungen in den meisten Fällen sicher nötig und wird bei den Kosten hier voll eingeplant. Vorhandene Trassenführungen sind dabei als Leitungsbett sicher hilfreich. Je nach Gegebenheiten könnte man die relativ aufwendige Verlegung der Heizleitungen auch zum Anlass nehmen, das gesamte, meist chaotisch gewachsene Versorgungs- und Anschlusssystem einer Gemeinde auf solide Füße zu stellen: Ein einziger begehbarer Tunnel enthält alle Medien. Künftige Kontrollen, Wartungen, Reparaturen und Verlegungen würden sehr vereinfacht. Kosten dazu wurden hier aber nicht kalkuliert. Die Behörde und alle Netzbetreiber sollten zusammenwirken.


Alle Berechnungen zu den Kostenanteilen für die drei beschriebenen Komponenten bezüglich der Gesamtkosten ergaben im Schnitt:
Den verbleibenden Anteil bilden in der Reihenfolge abnehmend: Baunebenkosten, Wartungs- und Betriebskosten.


2.5. Speicherverluste




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