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Quartier in Karlsruhe-Durlach wird mit Photovoltaik und Wärmepumpen energetisch ertüchtigt

(10.8.2020) In Karlsruhe-Durlach haben die Bauarbeiten zur Umsetzung eines zukunftsorientierten Energieversorgungskonzeptes für fünf Mehrfamilien-Bestands­ge­bäude mit 175 Wohnungen begonnen (siehe Google-Maps). Im Rahmen des Projektes „Smartes Quartier Karlsruhe-Durlach“ wird die derzeitige konventionelle Versorgung durch ein umweltfreundliches Energiesystem ersetzt - bestehend aus ...

  • Photovoltaik-Anlagen (PV),
  • zwei Wärmepumpen,
  • Erdgas-Blockheizkraftwerken (BHKW) und einem
  • Energiemanagement mit KI-basierter Fehlererkennung.

Auf diese Weise sollen der Primärenergieverbrauch und die damit verbundenen CO₂-Emissionen halbiert und ein wirtschaftliches Betreiberkonzept erprobt werden.

Bild © Google Earth, Map data: Google, GeoBasis-DE/BKG 

In dem vom BMWi geförderten Projekt wollen die Volkswohnung GmbH und die Stadtwerke Karlsruhe eine dezentrale und solare Energieversorgung für den Gebäudekomplex in Karlsruhe-Durlach aufbauen. 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.

Zunächst werden die fünf Mehrfamilienhäuser (175 Wohnungen, 1963 errichtet und 1995 energetisch teilmodernisiert, beheizte Grundfläche von 11.600 m², Strombedarf/Jahr ca. 350 MWh, Wärmebedarf/Jahr 1200 MWh) durch Erdgaskessel und Strom aus dem Netz versorgt.

Eine wesentliche Voraussetzung für die Umsetzung des Konzepts ist der Quartiersansatz, also die Vernetzung mehrerer Gebäude sowohl durch Austausch von Energie als auch durch eine übergreifenden Betriebsführung und Regelung. Das für die energetische Sanierung entwickelte Energiekonzept setzt dabei auf die Kombination bewährter Technologien:

  • Drei der Gebäude sind mit einer Nahwärmeleitung verbunden, in die zwei Erdgas-BHKW-Aggregate Wärme einspeisen.
  • Zwei Gebäude werden durch dezentrale Wärmepumpenanlagen mit nicht ganz üblichen Wärmequellen versorgt:
    • eine Mehrquellen-Großwärmepumpe (Außenluft, Erdwärmesonden), die im Forschungsvorhaben „LowEx im Bestand-HEAVEN“ entwickelt wird, und
    • eine Wärmepumpenanlage mit photovoltaisch- thermischen Kollektoren als Wärmequelle.
  • Auf den Dächern aller Gebäude sind PV-Anlagen installiert.

Bislang kommen Wärmepumpen in Bestands-Mehrfamilienhäusern vergleichsweise selten zum Einsatz. Ihr Einsatz ist hier technisch anspruchsvoller, was Temperaturniveau, die Verfügbarkeit von Wärmequellen und die Versorgung mit erneuerbarem Strom anbelangt.

„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

Für die Konzepterstellung des Energiesystems wurde das Quartier mit allen Erzeugern und Verbrauchern 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 u.a. durch ein smartes Energiemanagement erreicht, welches die Wärmepumpen und den BHKW-Be­trieb so steuert, 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“, erklärt Dr. Manuel Lämmle vom Fraunhofer ISE in Freiburg.

Monitoring für einen optimalen Betrieb und die 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 innovativen Energiekonzepts beantworten. Zur Überprüfung des Energiekonzeptes 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.

Zur Erinnerung: In Deutschland beträgt laut BMWi der gebäudebezogene Energieverbrauch rund 35% 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 damit 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)“, das zur Markteinführung und -verbreitung von LowEx-Konzepten und Systemen für Bestandsgebäude beitragen soll. Der Begriff „LowEx“ charakterisiert Systeme, die mit möglichst niedrigem Temperaturniveau arbeiten und durch die damit mögliche Nutzung von Umweltenergie mit Wärmepumpen eine sehr hohe Effizienz erreichen - siehe auch Beitrag „„LowEx-Bestand“: Mehrfamilienhäuser nachhaltig heizen“ vom 2.1.2017.

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