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Mit dezentralen Energiesystemen im Verbund ist es möglich, Synergien zwischen den Gewerken und saisonale Speicherung zu nutzen und so zur Reduktion der Treibhausgasemissionen beizutragen. Ein Variantenvergleich anhand des Beispiels eines Firmenareals zeigt diesbezüglich ein erhebliches Potenzial.
Das Areal der Roche Diagnostics International AG in Rotkreuz besteht aus zehn Gebäuden mit verschiedenen Nutzungen. Die Wärme- und Kälteerzeugung ist derzeit dezentral aufgebaut. Mögliche Synergien zwischen den Gewerken (Heizung, Kälte) und den verschiedenen Gebäuden bleiben ungenutzt. Dies, obwohl gute Voraussetzungen zur Nutzung von Synergien oder den Einsatz eines saisonalen Speichers gegeben wären: Das Areal weist einen Kälteenergiebedarf von 5857 MWh und einen Wärmeenergiebedarf von 5830 MWh pro Jahr auf (Grafik 1).
Der vorliegende Artikel befasst sich mit verschiedenen Umbauvarianten zur Optimierung des Areals und zieht zum Vergleich mögliche Neubauvarianten hinzu. Ziel ist dabei, die nicht erneuerbare Primärenergie sowie die Treibhausemission zu reduzieren. Die Varianten sollen zudem auch bezüglich ihrer Wirtschaftlichkeit geprüft werden.
Umbauvarianten
Für den Umbau der Energieversorgung des Areals werden drei Varianten betrachtet, wobei der aktuelle Bestand als Vergleich und Referenz der verschiedenen Konzepte dient. Bei den drei Varianten handelt es sich um Erdwärmespeicher, Eisspeicher sowie die Fernwärme der nahegelegenen Kehrichtverbrennungsanlage (KVA).
Im Konzept Erdwärmespeicher ersetzen reversible Wärmepumpen die bestehenden Öl- und Gasheizkessel. Als Quelle sind zwei zusätzliche Erdsondenfelder mit 67 und 128 Sonden à 200 Meter zu erstellen. Ausserdem ist ein Verbund zu schaffen, um die Synergien zu nutzen und die Energien der Gebäude untereinander auszugleichen.
Bei der Variante Eisspeicher muss ebenfalls ein Verbund erstellt werden. Die Gaskessel sind durch Wärmepumpen zu ersetzen. Die Kälteversorgung kann über das Freecooling erfolgen. Für diese Variante ist ein Eisspeicher mit einem Volumen von 21 160 Kubikmetern zu erstellen.
Im Konzept Fernwärme wird die Wärme aus den installierten Gas- und Ölkesseln durch die Fernwärme aus der Kehrichtverbrennungsanlage ersetzt. Bei den Bauten, welche bereits mit einer reversiblen Wärmepumpe ausgestattet sind, werden keine Änderungen vorgenommen.
Vergleich der Varianten
Grafik 2 zeigt das Potenzial bezüglich Reduktion der nicht erneuerbaren Primärenergie und der Treibhausgasemissionen. Ist eine Reduktion der Treibhausgase mit tiefen Investitionskosten angestrebt, empfiehlt es sich, die Variante Fernwärme zu berücksichtigen. Dieses Konzept nutzt keine Synergien, und eine saisonale Speicherung der Energie ist nicht möglich. Bei Betrachtung aller drei Varianten ist der Erdwärmespeicher die Variante mit dem grössten Potenzial. Bezüglich der Reduktion des nicht erneuerbaren Primärenergiebedarfs sowie der Treibhausgasemissionen schneidet dieses Konzept am besten ab. Nachteile des Erdwärmespeichers sind die hohen Investitionskosten und die vielen nötigen Umbaumassnahmen.
Die Variante Eisspeicher schneidet in Bezug auf den Bedarf an nicht erneuerbarer Primärenergie und die Treibhausgasemissionen sehr gut ab, ist aber aufgrund der hohen Investitionskosten keine gute Option.
Neubauvarianten
Das Areal ist ebenfalls als Neubau auf der «grünen Wiese» betrachtet worden. Die Fragestellung lautet hier, welches Energiekonzept für die Bereitstellung der Wärme- und Kälteenergie für einen Neubau des Areals am sinnvollsten ist. Auch zu dieser Fragestellung sind drei Varianten ausgearbeitet: Erdwärmespeicher, Seewassernutzung und Fernleitung mit Absorptionskältemaschinen.
Die Erdwärmespeicher können im Neubau unter den Gebäuden realisiert werden. Die verschiedenen Speicher werden mit einem Niedertemperaturnetz verbunden und dienen den reversiblen Wärmepumpen als Wärmequelle oder Wärmesenke.
Für die Seewasser-Variante wird das Wasser im Zugersee gefasst und auf das Areal der Roche transportiert. Die Kühlung wird direkt über Freecooling abgedeckt, die Wärmeenergie wird mit Wärmepumpen erzeugt.
Um mit der Fernwärme Synergien zu nutzen, wird eine Absorptionskältemaschine berücksichtigt. Der Absorber wird mit der Fernwärme direkt betrieben, das notwendige Kühlwasser als Wärmeenergie zum Heizen genutzt oder bei Überschuss an die Rückkühler abgegeben.
Grafik 3 zeigt den Vergleich der drei Varianten bezüglich nicht erneuerbarer Primärenergie und Treibhausgasemissionen. In dieser Betrachtung schneidet die Variante Seewasser am besten ab. Die Variante Erdwärmespeicher schneidet ebenfalls sehr gut ab. Die Problematik bei der Seewasserleitung ist die Länge von 2,3 Kilometern bis zum Zugersee. Die Variante Fernleitung mit Absorptionskältemaschine (AKM) ist aufgrund der hohen Investitionskosten und der höheren Emission nicht erneuerbarer Primärenergie nicht zu empfehlen. Eine Variante Fernleitung mit AKM ist nur bei tiefem Fernwärmepreis sinnvoll.
Wird das komplette Areal als Neubau betrachtet, ist die Variante Seewasser ökologisch die sinnvollste. Jedoch ist die Umsetzung einer 2,3 Kilometer langen Seewasserleitung nicht einfach, und die Kosten sind schwer abzuschätzen. Deshalb kommen sowohl die Variante Erdwärmespeicher als auch die Variante Seewasser infrage.
Fazit
Das Areal weist aufgrund der Energieverbrauchsdaten grosses Potenzial bezüglich saisonaler Speicherung auf. Das gesamte Areal zu vernetzen, ist mit hohen Investitionskosten verbunden. Mit zusätzlichen Erdsondenfeldern und einem Verbund der Gebäude können der Ausstoss an nicht erneuerbarer Primärenergie um 76 Prozent und die Treibhausgasemissionen um 85 Prozent gesenkt werden. Würde man das komplette Areal neu bauen, wäre die Variante Erdwärmespeicher die sinnvollste Lösung, auch eine Vernetzung des Areals ist aufgrund der unterschiedlichen Verbrauchsdaten der Gebäude notwendig.
* Livio Furrer und Lukas Kappeler, Studenten am Institu Gebäudetechnik und Energie der Hochschule Luzern - Technik & Architektur. Der vorliegende Fachartikel beruht auf ihrer Bachelor-Thesis vom Juni 2017.