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Wärmepumpen und PV halbieren CO2-Emissionen

Im Rahmen des Projekts „Smartes Quartier Karlsruhe-Durlach“ wird die derzeitige konventionelle Versorgung von fünf Mehrfamilien-Bestandsgebäuden durch ein Energiesystem ersetzt, bei dem zwei Wärmepumpen, Photovoltaik-Anlagen (PV), Erdgas-Blockheizkraftwerke (BHKW) und ein Energiemanagement mit KI-basierter Fehlererkennung zum Einsatz kommen. Ziele sind die Halbierung des Primärenergieverbrauchs und die Erprobung eines wirtschaftlichen Betreiberkonzeptes.

Smart Quatier Durlach
In Karlsruhe-Durlach haben die Bauarbeiten zur Umsetzung eines innovativen Energieversorgungskonzeptes für fünf Mehrfamilien-Bestandsgebäude begonnen. (Abb.: Google Earth, Map data: Google, GeoBasis-DE/BKG)

In dem vom BMWi geförderten Projekt bauen die Volkswohnung GmbH und die Stadtwerke Karlsruhe eine dezentrale und solare Energieversorgung für den Gebäudekomplex in Karlsruhe-Durlach auf. Das Vorhaben wird durch das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) und das Institut für Nachhaltige Technische Systeme INATECH der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg in der Konzeptentwicklung unterstützt und im Betrieb wissenschaftlich begleitet. Aktuell werden die fünf Mehrfamilienhäuser durch Erdgaskessel und Strom aus dem Netz versorgt. Insgesamt geht es um 175 Wohnungen mit einer beheizte Grundfläche von 11.600 m², einem Strombedarf von circa 350 MWh und einem Wärmebedarf von circa 1200 MWh. Die Gebäude wurden 1963 errichtet und 1995 energetisch teilmodernisiert.

Bewährte Technologien und innovative Wärmepumpen

Das für die energetische Sanierung entwickelte Energiekonzept setzt auf die Kombination bewährter Technologien. So werden auf den Dächern aller Gebäude PV-Anlagen installiert. Drei der Gebäude sind mit einer Nahwärmeleitung verbunden, in die zwei Erdgas-BHKW-Aggregate Wärme einspeisen. Eine wesentliche Voraussetzung für die Umsetzung des Konzepts ist der Quartiersansatz, also die Vernetzung mehrerer Gebäude sowohl durch Austausch von Energie als auch einer übergreifenden Betriebsführung und Regelung.

Zwei Gebäude werden durch dezentrale Wärmepumpenanlagen mit innovativen Wärmequellen versorgt: eine Mehrquellen-Großwärmepumpe (Außenluft, Erdwärmesonden), die im Forschungsvorhaben „LowEx im Bestand-HEAVEN“ entwickelt wird, sowie eine Wärmepumpenanlage mit photovoltaisch-thermischen Kollektoren als Wärmequelle. Bislang kommen Wärmepumpen in Bestands-Mehrfamilienhäusern nur selten zum Einsatz. Die Integration in bestehende Mehrfamilienhäuser ist technisch anspruchsvoll, was Temperaturniveau, die Verfügbarkeit von Wärmequellen und die Versorgung mit erneuerbarem Strom angeht.

„Die Kombination von Wärmepumpen mit Photovoltaik und einem Blockheizkraftwerk, zusammen mit Wärmespeichern, hat sowohl energetisch als auch ökonomisch großes Potenzial. Für Wohnungsgesellschaften ist bei optimaler Auslegung ein wirtschaftlicher Betrieb im Rahmen eines Contracting-Modells möglich“, betont Stefan Storz, Geschäftsführer der Volkswohnung GmbH.

CO2-Emissionen minimieren, Wirtschaftlichkeit optimieren

Um ein Konzept für das Energiesystem zu erstellen, wurde zunächst das Quartier mit allen Erzeugern und Verbrauchern vom Fraunhofer ISE simuliert und das Versorgungskonzept so optimiert, dass die CO₂-Emissionen durch den Verbrauch von Erdgas und Netzstrom minimiert und gleichzeitig die für die Mieter erforderliche Wirtschaftlichkeit erzielt wird. Dies wird unter anderem durch ein intelligentes Energiemanagement erreicht. Dies steuert die Wärmepumpen und den BHKW-Betrieb so, dass die Wärmepumpen bevorzugt mit selbst erzeugtem PV- oder BHKW-Strom betrieben werden können. Zur Betriebsoptimierung werden neuartige Fehlererkennungsalgorithmen entwickelt und erprobt, die auf Verfahren der künstlichen Intelligenz basieren. „Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die intelligente Integration aller drei Technologien eine CO₂-Einsparung von über 50 Prozent und zugleich eine hohe Wirtschaftlichkeit für den Betreiber erwarten lassen“, so Dr. Manuel Lämmle vom Fraunhofer ISE in Freiburg.

Monitoring sichert optimalen Betrieb und Übertragbarkeit auf Folgeprojekte

Das Institut INATECH der Uni Freiburg und das Fraunhofer ISE installieren im Rahmen des Projekts ein Monitoring-System und werten die erhobenen Messdaten über drei Betriebsjahre hinweg aus. Dies soll zum einen wissenschaftliche Fragestellungen zur energetischen Performance des Energiekonzepts beantworten. Zur Überprüfung werden Vorher/Nachher- sowie Soll/Ist-Vergleiche und Energiebilanzen erstellt. Zum anderen soll nach der Monitoring-Phase ein optimiertes Regelungskonzept verfügbar sein, das durch den Betreiber weitergeführt werden kann. „Die genaue Messung und Dokumentation der Einsparungen, die durch das neue Energiekonzept erzielt werden, soll möglichst viele weitere Unternehmen der Wohnungswirtschaft bei der Entscheidung dafür unterstützen, ebenfalls in ambitionierte, klimafreundliche Versorgungskonzepte zu investieren“, erklärt Dr. Stefan Hess, Forschungsgruppenleiter am INATECH. Weitere Informationen über das Smarte Quartier Durlach erhalten sie hier .

In Deutschland beträgt laut BMWi der gebäudebezogene Energieverbrauch rund 35 Prozent des gesamten Endenergiebedarfs. Dabei befinden sich 54 Prozent aller Wohnungen und 41 Prozent der gesamten Wohnfläche in Mehrfamilienhäusern. Diese werden überwiegend mit Erdgas beheizt. Der Gebäudesektor und das Energiekonzept des Smarten Quartiers Karlsruhe-Durlach haben also ein großes Potential zur Reduktion von CO₂-Emissionen. Das Demonstrations-Projekt gehört zum thematischen Projekt-Verbund „LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von sanierten Mehrfamilien-Bestandsgebäuden (LowEx im Bestand)“. Mehr über diesen Projektverbund erfahren Sie auf der Website des Verbunds .