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Fernwärmenetze übertragen Wärme von der Quelle mit hoher Temperatur (Wärmeerzeuger) zur Senke mit niedriger Temperatur (Wärmebezüger). Die zunehmend an Bedeutung gewinnenden Netze ermöglichen die Nutzung von Abwärme sowie den Einsatz von erneuerbaren Energien [1]. Das seit 2017 erhältliche «Planungshandbuch Fernwärme» [2] gibt eine Einführung in die technischen und betrieblichen Grundlagen zur Realisierung von Fernwärmenetzen und unterstützt Planungsfachleute dabei, Fernwärmenetze optimal auszulegen, damit sie in der Folge effizient und ökonomisch betrieben werden.
In der Schweiz werden – abgesehen von industriellen Eigenbedarfsanlagen – keine fossil-thermischen Kraftwerke betrieben, deshalb sind Fernwärmenetze im Vergleich zu Ländern in Osteuropa und Skandinavien erst wenig verbreitet. Dennoch stehen vor allem im städtischen Raum seit mehreren Jahrzehnten gut funktionierende Netze im Einsatz, die im Verbund mit Kehrichtverbrennungsanlagen (KVA), Holzfeuerungen oder Wärmepumpen realisiert wurden.
Während in klassischen Fernwärmenetzen Wärme bei Temperaturen über 60 °C verteilt wird, kommen heute auch niedrigtemperierte Netze als Quelle für dezentrale Wärmepumpen und/oder Kälte zum Einsatz. Zusammen mit Fernwärmenetzen werden sie als thermische Netze bezeichnet, wie im «Faktenblatt Thermische Netze» ausgeführt ist [3]. Heute verfügt die Schweiz über rund 1000 thermische Netze [4], die nach unterschiedlichen Angaben zwischen 6 und 8 TWh Wärme pro Jahr bereitstellen und damit rund 6 bis 8% des Wärmebedarfs decken [5–7]. Die Versorgung der thermischen Netze erfolgt zu rund 36% aus KVA-Abwärme, 27% aus erneuerbaren Energien (Biomasse oder Wärmepumpen), 19% aus Abwärme von Kernkraftwerken, anderen Abwärmequellen und sonstigen erneuerbaren Energien, 17% aus Erdgas sowie 2% aus Geothermie (Fig. 1). Bei einem durchschnittlichen Wärmepreis von 15 Rp./kWh [8] entspricht die verkaufte Wärme einem Umsatz von rund 1,2 Mia. Franken pro Jahr.
In Figur 2 ist das Potenzial der thermischen Netze im Jahr 2050 bei unterschiedlichen Szenarien gemäss den Energieperspektiven 2050+ des Bundes [5] zu sehen. Dabei werden das Szenario «Weiter wie bisher» (WWB) und verschiedene Szenarien zu «Netto-Null» (Zero, was für Netto-Null-Emissionen an CO2 steht) wie folgt definiert [5]:
Bei einem für 2050 prognostizierten Endenergiebedarf für Raumwärme, Warmwasser und Prozesswärme von 74 TWh/a [5] liegen die Potenziale für thermische Netze bei gut 10 TWh/a (Zero B) bis 18 TWh/a (Zero C), was rund 14 bis 24% entspricht (Fig. 2). Das «Weissbuch Fernwärme» [9] prognostizierte bereits im Jahr 2014 für 2050 ein wirtschaftliches Potenzial der thermischen Netze von 17 TWh/a, was zwischen den 2020 prognostizierten Szenarien Zero B und Zero C liegt.
Die Erschliessung des Potenzials thermischer Netze setzt voraus, dass die Anlagen effizient und ökonomisch ausgeführt und betrieben werden. Untersuchungen an bestehenden Netzen haben gezeigt, dass die Übergabestationen eine wichtige Komponente von thermischen Netzen sind und die Wirtschaftlichkeit und Effizienz des ganzen Netzes entscheidend beeinflussen [8].
Da geeignete Übergabestationen wichtig sind für die Wirtschaftlichkeit der Fernwärmenetze und ein umfassendes Planungsmittel dazu bis anhin fehlte, wurde im Auftrag des Bundesamts für Energie ein «Leitfaden zur Planung von Fernwärme-Übergabestationen» [10] erarbeitet, der das Fachwissen zur Konzeption und Planung von Übergabestationen vertieft. Der Leitfaden richtet sich an Heizungsplaner und Gebäudetechnikerinnen, technische Mitarbeitende von Heizungsfirmen, an Fachleute in Herstellung und Vertrieb von Fernwärmenetzen und Übergabestationen sowie an Personen, die für den Betrieb von Fernwärmenetzen zuständig sind. Der Leitfaden ergänzt das «Planungshandbuch Fernwärme», das die Grundlagen zu Planung der Netze abdeckt. Die Inhalte des Leitfadens basieren auf den Erfahrungen der Autoren und der Mitglieder der Expertengruppe und Fachverbände.
Der Leitfaden zur Planung von Fernwärme-Übergabestationen beschreibt im ersten Teil die gültigen Normen und Richtlinien. Er bezieht sich dabei grundsätzlich auf Anwendungen mit primären Vorlauftemperaturen bis zu 110 °C und Nenndrücken bis PN 25. Da auch Netze mit Vorlauftemperaturen über 110 °C existieren, sind die dafür gültigen Normen und Richtlinien ebenfalls aufgeführt und separat gekennzeichnet.
Danach werden die Grundlagen zur Anbindung der Gebäudeinstallation an ein Fernwärmenetz behandelt. Es wird gezeigt, dass grundsätzlich jedes Gebäude an ein Fernwärmenetz angeschlossen werden kann, sofern eine geeignete Gebäudeinstallation für Heizung und gegebenenfalls Warmwasser- oder Lufterwärmung vorhanden ist oder erstellt wird.
Nach den Grundlagen wird das System der Fernwärme-Übergabestationen vorgestellt. Zur besseren Orientierung im breiten Angebot von Herstellern und Lieferanten werden die Übergabestationen in drei Kategorien eingeteilt und beschrieben.
Anschliessend werden die einzelnen Komponenten und Funktionen von Übergabestation erläutert, technische Anforderungen festgehalten und deren Auslegung definiert.
Im darauffolgenden Kapitel werden die Minimalanforderungen an eine indirekte Fernwärme-Übergabestation beschrieben, die notwendig sind, um eine bedienungs-, service- und wartungsfreundliche Anlage zu gewährleisten.
Im letzten Kapitel sind die wichtigsten Arbeitsschritte zur Planung und zum Betrieb von Fernwärme-Übergabestationen festgehalten.
Ein Anhang rundet den Leitfaden mit praktischen Informationen ab. Er enthält einen Fragebogen für potenzielle Wärmekunden und verweist auf eine Bewertungstabelle, die einen Vergleich offerierter Leistungen von Fernwärme-Übergabestationen unterstützt. Ausserdem wird der Ablauf zur Planung einer Fernwärme-Übergabestation anhand eines Fallbeispiels erläutert.
Die wichtigsten Begriffe werden anhand von Figur 3 beschrieben. Gegenüber dem «Planungshandbuch Fernwärme» werden im Leitfaden einzelne Themen vertieft und aktualisiert. So ist bei der Warmwasseraufbereitung die Aktualisierung der SIA 385/1 [11] berücksichtigt. Weiter werden die Zirkulation und deren Einbindung beschrieben sowie die Varianten der Warmwassererwärmung mit Frischwasserstationen, Warmwasserspeicher mit internem und externem Wärmeübertrager und die Vorrangschaltung vertieft.
Da die gelieferte Wärme möglichst effizient genutzt werden soll, besteht aus Sicht des Wärmelieferanten ein Interesse an der technischen Situation der Sekundärseite des Wärmeabnehmers. Entsprechend sind die Anforderungen an die Sekundärseite ein wichtiger Teil der Grundlagen. Tabelle 1 zeigt dazu einen Auszug der Anforderungen an gebäudetechnische Anlagen, Wärmeverteilung und hydraulische Einbindung im Gebäude.
Die wichtigsten Anforderungen an die Sekundärseite sollten im Wärmeliefervertrag und in den Technischen Anschlussvorschriften (TAV) vertraglich festgehalten werden. Das Ziel der TAV ist, einen minimalen technischen Standard sicherzustellen, die Qualität der Wärmeversorgung zu gewährleisten und grobe Fehler zu verhindern. Für die TAV ist ein Mittelweg zu finden, bei dem so wenig Einschränkungen wie möglich und so viele wie nötig festgehalten werden. Unnötige Anforderungen erhöhen die Kosten, während im umgekehrten Fall die Qualität und die Langlebigkeit beeinträchtigt werden können. Um die geforderte Qualität sicher zu stellen, ist auch zu kontrollieren, ob die vereinbarten Anforderungen eingehalten werden.
Als Basis für die Planung ist eine qualifizierte Ist-Analyse des Wärmeabnehmers notwendig, welche Wärmebedarf, Leistungsbedarf, Temperaturniveau, Lastprofil und hydraulische Einbindung umfasst. Damit kann (frühzeitig) die bestehende Situation der Sekundärseite beim Wärmeabnehmer bereits in der Planungsphase beurteilt werden.
Fernwärme-Übergabestationen werden in unterschiedlichen Produktkategorien und Bezeichnungen angeboten, die teilweise herstellerspezifisch sind. Für eine bessere Orientierung werden die Übergabestationen in folgende drei Kategorien eingeteilt; damit wird ein Grossteil der Anwendungsmöglichkeiten abgedeckt und das Vorgehen zur Planung vereinfacht:
In der Regel werden alle Komponenten inklusive Elektroinstallation vormontiert, getestet und betriebsfertig ausgeliefert, sodass die Übergabestation vor Ort nur noch an die Fernwärme und die Gebäudeinstallation angeschlossen werden muss. Die Stromversorgung erfolgt in der Regel über einen CEE-Stecker. Ein Aufbau der Übergabestationen vor Ort kommt zum Einsatz, wenn es sich um sehr grosse Anschlussleistungen handelt oder die Einbringung von Baugruppen (Module) möglich ist.
Die einzelnen Komponenten müssen mit der CE-Kennzeichnung versehen sein (falls Kennzeichnungspflicht anwendbar) und den entsprechenden Normen, Richtlinien und Vorschriften entsprechen. Die Hersteller und Lieferanten müssen nachweisen können, dass die Komponenten einfach zu warten und zu ersetzen sind und die vereinbarten Leistungen erbringen. Ersatzteile sollten für mindestens fünf Jahre nach der Lieferung verfügbar sein und die Lebensdauer darf unter normalen Bedingungen nicht weniger als zehn Jahre betragen. Die Dimensionierung muss entsprechend den Anforderungen der Betreiber und Kunden erfolgen ([12] S. 20 ff.). Bei Anlagen im Einsatzbereich über 110 °C ist für die Festigkeitsauslegung und Konformitätserklärung zudem die Druckgeräteverordnung zu beachten [13]. Im Leitfaden werden folgende Komponenten und Funktionen weiter thematisiert:
Fernwärme-Übergabestationen sollten grundsätzlich bedienungs-, service- und wartungsfreundlich aufgebaut und gemäss den TAV ausgeführt sein sowie den einschlägigen Normen und Richtlinien entsprechen. Dazu sind im Leitfaden Minimalanforderungen an eine indirekte Fernwärme-Übergabestation festgehalten. Es werden die Ausrüstungskomponenten definiert sowie der zu erwartende Druckverlustbereich und die maximale Strömungsgeschwindigkeit in der Übergabestation beschrieben und die Anforderungen an die Dokumentation festgehalten. Abschliessend werden Richtpreise für eine Fernwärme-Übergabestation von 10 bis 200 kW aufgeführt.
Die folgenden Komponenten sind gemäss Figur 4 bei einer Fernwärme-Übergabestation als minimale Ausrüstung vorzusehen:
Der Druckverlust der Übergabestation setzt sich aus den Druckverlusten folgender Komponenten zwischen den Absperrarmaturen im Vorlauf und im Rücklauf zusammen: Schmutzfänger, Wärmeübertrager, Kombiventil, Wärmezähler, Leitungen, Bögen und Armaturen. Der Druckverlust einer Übergabestation liegt im Bereich zwischen 50 bis 100 kPa (0,5 bis 1,0 bar):
|Komponente||Druckverlustbereich in kPa||Druckverlustbereich in kPa|
|untere Grenze||obere Grenze|
|Schmutzfänger||2||5|
|Wärmeübertrager||10||25|
|Kombiventil||30||45|
|Wärmezähler||5||20|
|Leitungen||3||5|
|Total||50||100|
Zusammensetzung des Druckverlustes einer Fernwärme-Übergabestation.
Um störende Geräusche zu vermeiden sowie die Funktion und Langlebigkeit zu gewährleisten, sind in Hausanschlussleitungen und Übergabestationen maximale Strömungsgeschwindigkeiten folgendermassen zu berücksichtigen:
|Nennweite||Hausanschlussleitung m/s||Übergabestation m/s|
|DN 20||0,5||1,2|
|DN 25||0,6||1,2|
|DN 32||0,8||1,2|
|DN 40||1,0||1,2|
|DN 50||1,2||1,2|
|DN > 50||1,2||1,2|
Maximale Strömungsgeschwindigkeiten in Hausanschlussleitungen und Übergabestationen.
Um einen sicheren Betrieb und Unterhalt zu gewährleisten, ist eine ausführliche Dokumentation zu verfassen und aktuell zu halten. Für die Dokumentation wird ein Aufbau mit folgenden fünf Teilen empfohlen: Allgemeiner Teil, Montageanleitung, Bedienungsanleitung, Wartungsanleitung und sonstige Unterlagen ([14] S. 15 ff.).Dokumentation
Auf Basis der definierten Minimalanforderungen an eine Fernwärme-Übergabestation sind die Investitionskosten für Anschlussleistungen von 10 kW, 25 kW, 50 kW, 100 kW und 200 kW von fünf Firmen erhoben worden (Stand März 2020). Die Investitionskosten setzen sich wie folgt zusammen:
Neben der definierten Minimalanforderung an die Ausrüstung entsprechen die Anforderungen den Technischen Anschlussvorschriften aus dem im Leitfaden im Anhang aufgeführten Fallbeispiel und sind folgendermassen definiert:
Wesentliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Fabrikaten betreffen die Ausführung (Wandmontage im Kasten oder offen auf Gestell) sowie die Ausführung einzelner Komponenten (Regler, Aussentemperaturfühler etc.). Die angegebenen Investitionskosten sind Richtpreise (Bruttopreise) für eine erste Abschätzung, während effektive Kosten je nach Situation und Anforderung abweichen können.
Figur 5 zeigt die Investitionskosten in Abhängigkeit zur Anschlussleistung mit Minimal-, Maximal- und Mittelwerten der erhobenen Daten.
Figur 6 zeigt die spezifischen Investitionskosten in Abhängigkeit zur Anschlussleistung. In dieser Darstellung ist der Skaleneffekt (Economies-of-scale) gut erkennbar.
Planung und Betrieb eines Fernwärmenetzes richten sich nach dem im «Planungshandbuch Fernwärme» empfohlenen Ablauf ([2], S. 102 ff.). Dabei wird zwischen der Planungsphase und der Betriebsphase unterschieden. Die Planung und der Betrieb von Fernwärme-Übergabestationen werden im Leitfaden vertieft. Zu beachten ist, dass die einzelnen Arbeitsschritte vielfach nicht von einer Person oder einem einzelnen Unternehmen durchgeführt werden. Aus diesem Grund sind eine übergeordnete Koordination, fortlaufende Dokumentation und gute Kommunikation wichtig.
In der Planungsphase ist auf eine qualifizierte Ist-Analyse der Wärmeabnehmer zu achten (Erfassen des Wärmebedarfs, des Leistungsbedarfs und der hydraulischen Einbindung). Daraus können auf Basis der Technischen Anschlussvorschriften die individuellen Anforderungen und Ausschreibungsunterlagen für die Übergabestationen verfasst werden.
Die Betriebsphase ist als fortlaufender Prozess zu betrachten und startet nach der Abnahme durch den Wärmeabnehmer, Bauherr, Betreiber und/oder deren Vertreter. Folgende Punkte sind besonders zu beachten:
Die Nachregulierung bzw. Optimierung der Übergabestation erfolgt am Anfang, während der Heizperiode und wenn möglich periodisch oder permanent über die Auswertung der wichtigsten Parameter z. B. über ein übergeordnetes Leitsystem.
a. Soll-Ist-Vergleich mit Referenzwerten (Einstellen von Sollwerten und Regelparametern wie Temperatur, Druck etc.)
b. Feststellen und Interpretieren von Abweichungen (Fehler- und Schadensdiagnose)
c. Optimierungspotenziale ermitteln
a. Eichpflicht der Wärmezähler umsetzen
b. Periodische Kontrollen
c. Sicherheitseinrichtungen
d. Wasserqualität
e. Entschlammung
f. Funktion Entgaser
g. Leckage
Der Leitfaden zur Planung von Fernwärme-Übergabestationen dient als Basis zur Planung der Übergabestationen als wichtige Komponente von thermischen Netzen. Er unterstützt zusammen mit bereits vorliegenden Unterlagen (Planungshandbuch von QM Fernwärme sowie Dokumente vom Verband Fernwärme Schweiz [VFS], vom SVGW und von weiteren Verbänden) eine optimale Planung und einen guten Praxisbetrieb der Übergabestationen und trägt dazu bei, die Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz von Fernwärmenetzen zu verbessern.
Der Leitfaden und zugehörige Begleitinformationen wie ein Fragebogen für einen Fernwärmeanschluss sowie ein Tool zur Bewertung offerierter Leistungen von Fernwärme-Übergabestationen stehen auf der Website von QM Fernwärme zur Verfügung. Bis zum Sommer 2021 sollte zudem die französische Version zum Download vorliegen.
[1] Frederiksen, S.; Werner, S. (2013): District Heating and Cooling, Studentliteratur AB, Lund (S), ISBN 978-91-44-08530-2
[2] ARGE QM Fernwärme (2018): Planungshandbuch Fernwärme, Verenum AG, Version 1.2, Zürich, ISBN 3-908705-30-4
[3] Nussbaumer, T. et al. (2021): Faktenblatt Thermische Netze, Verenum AG, Zürich
[4] Schweizerische Eidgenossenschaft (2019): Geodaten Thermische Netze, Bern. Link aufgesucht am 4. März 2021: https://s.geo.admin.ch/86066fef19
[5] Kirchner, A. et al. (2020): Energieperspektiven 2050+ - Kurzbericht, Prognos AG, INFRAS AG, TEP Energy GmbH und Ecoplan AG i.A. des Bundesamts für Energie BFE, Zürich und Bern
[6] Jakob, M. et al. (2020): Erneuerbare- und CO2-freie Wärmeversorgung Schweiz, TEP Energy GmbH und ECOPLAN, Zürich und Bern
[7] Verband Fernwärme Schweiz (2020): Jahresbericht 2019 & Ergänzungen von A. Hurni, Verband Fernwärme Schweiz VFS, Bern
[8] Thalmann, S.; Nussbaumer, T. (2014): Ist-Analyse von Fernwärmenetzen, 13. Holzenergie-Symposium, ETH Zürich 12.09.14, Verenum Zürich
[9] Sres, A. (2014): Weissbuch Fernwärme – VFS-Strategie, Schlussbericht Phase 2, VFS, Bern
[10] Nussbaumer, T. et al. (2020): Leitfaden zur Planung von Fernwärme-Übergabestationen, Verenum AG, Version 1.0, Zürich, ISBN 3-908705-37-1
[11] SIA 385/1:2020: Anlagen für Trinkwarmwasser in Gebäuden – Grundlagen und Anforderungen, Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein SIA, Zürich
[12] European Committee for Standardization CEN (2015): Eco-efficient Substations for District Heating CWA 16975, Brussel
[13] 930.114 (2016): Verordnung über die Sicherheit von Druckgeräten (Druckgeräteverordnung, DGV), vom 25. November 2015 (Stand am 19. Juli 2016)
[14] Arbeitsgemeinschaft für Wärme und Heizkraftwirtschaft AGFW e.V. (2019): AGFW FW 509 – Anforderungen an Hausstationen zum Anschluss an Heizwasser-Fernwärmenetze (Entwurfsversion als Ersatz für Ausgabe von 1998)
Der Leitfaden entstand mit Unterstützung von EnergieSchweiz des Bundesamts für Energie BFE. Zum Inhalt beigetragen haben nebst dem Autorenteam die Mitglieder der Expertengruppe und die an der Vernehmlassung beteiligten Experten, Verbände und Behörden, die im Leitfaden [10] aufgeführt sind und deren Mitarbeit verdankt wird.
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