Solarthermie Teilprogramm 3: Solare Nahwärme mit Erdsondenspeicher, Phase 1, Ausbaustufe 2 Förderkennzeichen A

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1 Solarthermie Teilprogramm 3: Solare Nahwärme mit Erdsondenspeicher, Phase 1, Ausbaustufe 2 ( ) Auszug aus JAHRESBERICHT 2000 Solarthermie Teilprogramm 3: Solare Nahwärme mit Erdsondenspeicher, Phase 1, Ausbaustufe 2 Förderkennzeichen A

2 2 Fachinformationszentrum Karlsruhe Fachinformationszentrum Karlsruhe Hermann von Helmholtz-Platz Eggenstein Leopoldshafen Telefon: Hotline: Telefax: Internet: fizka@fiz-karlsruhe.de Büro Bonn Mechenstraße Bonn Telefon: Hotline: dd@fiz-karlsruhe.de Internet: Fachinformationszentrum Karlsruhe. Alle Rechte vorbehalten. Insbesondere ist die Vervielfältigung, die Überführung in maschinenlesbare Form sowie das Speichern in Informationssystemen, auch auszugsweise, nur mit schriftlicher Einwilligung des Herausgebers gestattet. Projekt-Nr.: A Jahresbericht 2000 LPS: E24200 Thema: Durchführung: SOLARTHERMIE TEILPROGRAMM 3: SOLARE NAHWÄRME MIT ERDSONDENSPEICHER, PHASE 1, AUSBAUSTUFE 2 STADTWERKE NECKARSULM NECKARSULM Projektleitung: EFFENBERGER, SIGBERT, DIPL.-ING. Laufzeit: Gesamtkosten: ,00 DM Förderanteil des Bundes 50,00 %

3 Fachinformationszentrum Karlsruhe Zielsetzung Im Rahmen des Pilotprogramms Solarunterstüzte Nahwärmeversorgung mit Langzeit- Wärmespeicher Neckarsulm/Amorbach II soll zum ersten Mal ein Langzeit- Wärmespeicher gebaut werden, bei dem das Erdreich direkt als Speichermedium verwendet wird. Die Ein- und Ausspeicherung der Wärme erfolgt über senkrechte Erdsonden. Ziele des Projektes waren: 1. Es soll der Nachweis geführt werden, dass Erdsonden-Wärmespeicher für die Langzeit-Wärmespeicherung von Sonnenenergie geeignet sind. Dazu wurde der Speicher vom Pilotausbau mit m³ in der ersten Ausbaustufe auf m³ ausgebaut. 2. Einsatz von fortgeschrittenen Kollektorkonzepten, s.g. Kollektordächern, die als Fertigdachelemente geliefert werden und eine Kostenreduktion von 20 % 30 % gegenüber der heutigen Technologie erlauben. 3. Entwicklung, Erprobung und Realisierung einer dezentralen Einbindung der Kollektorfelder in das Nahwärmenetz. Bei dieser Einbindung wird die solare Nahwärme über die Hausübergabestation eingekoppelt. Hierbei wird der Rücklauf des Nahwärmenetzes durch das Kollektorfeld erwärmt und in einem dritten Leiter als Solarvorlauf der Heizzentrale zugeführt. 2.0 Gesamtkonzept und Arbeitsprogramm 2.1 Langzeitwärmespeicher Mit einer großen Solaranlage und einem Langzeit-Wärmespeicher soll die Hälfte des Brennstoffbedarfes der Siedlung durch Sonnenenergie ersetzt werden. Die Solarkollektoren sind auf den Dächern der Schule, der Sporthalle, dem Ladenzentrum und den Mehrfamilienhäusern installiert. Die Wärmespeicherung erfolgt direkt im Erdreich. Die Wärme wird über in senkrechten Bohrungen eingebauten Rohren zugeführt und entnommen.

4 4 Fachinformationszentrum Karlsruhe Die Beladung des Erdsonden-Wärmespeichers erfolgt über einen Pufferspeicher, in dem die Solarwärme zwischengespeichert wird. Beim Entladen wird die Wärme direkt in den Rücklauf des Nahwärmenetzes eingespeist. Die Versorgung des Netzes erfolgt aus dem Pufferspeicher. Eine Rücklaufbeimischung begrenzt die Vorlauftemperatur für das Verteilernetz auf den benötigten Wert. Wird die Vorlauftemperatur nicht erreicht, erfolgt die Zusatzheizung mittels Spitzenkessel. Geplanter Ausbau Pilotspeicher 1.Ausbau 2.Ausbau 3.Ausbau Endausbau Realisierung / /01 Kollektoranlage Absorberfläche in m² Solarer Deckungsant. 50% 50% 50% 50% 50% Erdsonden-Wärmesp. Speichervol. in m³ Amzahl der Sonden Wärmeerzeugung Niedertemperaturk kw kw kw kw 3 x kw Tabelle über den Ausbau der Solaranlagen und des Speichers Der Ausbau erfolgt in mehreren Stufen, entsprechend dem Baufortschritt des Wohngebietes. Verglichen mit einem Solarsystem mit einem Wasserspeicher als Langzeit- Wärmespeicher ist das nötige Speichervolumen bei einem Erdsonden- Wärmespeicher etwa um den Faktor 5 größer. Weiterhin ist die Temparaturspreizung im Speicher während des saisonalen Speicherzyklus im Erdsonden-Wärmespeicher deutlich niedriger. Grund hierfür sind zu einem die stetigen Wärmeverluste an das umgebende Erdreich und zum anderen das deutlich trägere Betriebsverhalten eines Erdsonden-Wärmespeichers aufgrund des begrenzten Wärmeübertragungsvermögens der Erdsonden und des Wärmetransportes durch die Wärmeleitung im Speicher.

5 Fachinformationszentrum Karlsruhe 5 Im Gegensatz zu einem Wasserspeicher (bei dem nur eine vertikale Temperaturschichtung vorliegt) stellt sich bei einem Erdsonden-Wärmespeicher ein dreidimensionales Temperaturfeld ein. Insbesondere bildet sich in der Speicherebene ein Temperaturfeld aus, das sowohl vom gesamten Ladezustand des Speichers abhängt, als auch um die Erdsonden deutlich von den momentan herrschenden Be- bzw. Entladevorgängen geprägt ist. 2.2 Die Kollektorfelder des 1. Bauabschnitts 3 Systeme im Vergleich Mit dem Zuschuss des Bundesministeriums für Forschung und Technologie ist die Forderung verbunden, verschiedene Großkollektoranlagen aufzubauen und zu erproben. Im 1. Bauabschnitt wurden rund m 2 Flachkollektoren auf Stahlrohrgerüste montiert. Das Dach der neuen Sporthalle ist mit m 2 Flachkollektoren belegt, weitere 444 m 2 sind auf dem Dach des Ladenzentrums untergebracht. Bei der Sporthalle ist es durch den Aufbau auf die aussenliegende Tragkonstruktion hervorragend gelungen, die Kollektormodule zu einem harmonischen Element für die Gesamtarchitektur werden zu lassen, ohne weitere Mehrkosten für die Stadtwerke Neckarsulm zu produzieren. Als Pendant zur Anlage auf der Turnhalle wurde auf dem Parkplatz gegenüber die 1. solarthermische Gemeinschaftsanlage mit einer Fläche von weiteren 440 m 2 erstellt. Auch bei den dachintegrierten Anlagen wurden die bisherigen Erkenntnisse umgesetzt. Während bei den ersten Anlagen die Detailpunkte bei den Blechverwahrungen und den Ortgangblechen an der Baustelle zu klären waren, konnte bei den folgenden Anlagen bereits auf kostengünstige und einfache Lösungen zurückgegriffen werden. Die Folgeanlagen der Dächer zweier Wohnbaugesellschaften in der Eugen-Bolz-Straße haben eine Dachflächennutzung, die trotz des Einsatzes von seriellen Großkollektoren einem Solarroof nicht nachstehen. Innerhalb eines 8-Jahreszeitraumes sind deutliche Verbesserungen hinsichtlich der Verbindungs- und Abdeckelemente beim Großkollektorbau erkennbar. Durch ozon-, temperatur- und UV-beständige EPDM Gummidichtungen werden Abdichtungsprobleme weiter reduziert und homogene Dachflächen geschaffen. Ebenso wie bei allen anderen Kollektoranlagen wurden auch für das Solarroof weitere Einsatzmöglichkeiten gefunden. Der Grundschule, bei der alle Anwendungsmöglichkeiten noch nicht genutzt werden konnten, folgten große Sollarooffelder auf drei Reihenhausgruppen (750 m²) im nordwestlichen Bereich der Nahwärmeinsel Grenchenstraße. Zum ersten Mal wurde auf Reihenhäuser über Eigentumsgrenzen hinweg ein Solarroof errichtet und in Kooperation mit dem

6 6 Fachinformationszentrum Karlsruhe Zimmermann komplette Elemente aus Sparren und Kollektoren aufgelegt. Zusammen mit der Anlage auf der Schule haben die Solarroofelemente insgesamt einen Flächenanteil von ca m 2 und geben damit einen umfassenden Erfahrungswert für den weiteren Ausbaubereich. Die Gesamtfläche aller Kollektoren im Neubaugebiet Amorbach beträgt derzeit m². 2.3 Dezentrale Einbindung der Kollektorfelder in das Nahwärme- netz Bisher wurde bei großen Solaranlagen in Verbindung mit einer Nahwärmeversorgung immer ein eigenes Rohrleitungsnetz für die Einsammlung der Kollektorwärme verwendet und die Wärme über dieses Netz bis in die Heizzentrale und weiter zum Langzeit-Wärmespeicher transportiert. Dieses System ist hydraulisch und reglungstechnisch einfach, erfordert jedoch die Investition für ein eigenes erdverlegtes Rohrnetz und eine erhebliche Menge an Frostschutzmittel. Möglich ist dagegen die Einbindung, wie beim Wärmenetz der Nahwärmeinsel Grenchenstraße, mit einer dritten Leitung, welche die Solarwärme zur Heizzentrale transportiert. Der Rücklauf für Solaranlage und Wärmeverteilung ist derselbe. Dieses System hat die Vorteile, daß bei großen Kollekorfeldern sich Kostenvorteile durch die Einsparung einer Leitung ergeben und das System sich leichter erweitern läßt. Da die Vorleistungen geringer sind (nur eine Rohrleitung) und die dezentralen Pumpen dem tatsächlichen Ausbau des Systems besser angepaßt werden können. Desweilen können für die Unterstationen in den einzelnen Gebäuden standardisierte Einheiten verwendet werden, die durch eine Typprüfung den Genehmigungsaufwand reduzieren. Diese modulare Bauweise erlaubt auch eine kostengünstigere Serienproduktion der Unterstationen, ähnlich wie bei Hausübergabestationen von Nah- und Fernwärmenetzen. Diese modulare Bauweise großer Kollektorfelder ermöglicht auch völlig neue Organisationsstrukturen für solarunterstütze Nahwärmeversorgungen. So lässt sich z.b. die Schnittstelle zwischen Betreiber und Haus in die Unterstation legen, die Kollektoranlage ist ähnlich wie die Heizungsanlage Bestandteil des Hauses, und so wie das Haus von der Wärmeübergabestation seine Wärme bezieht, liefert es über seine Solarstation Wärme an das Netz, die dann je nach Angebot und Abgabe in der Heizzentrale an den Wärmespeicher abgegeben wird. 3.0 Planung und Ablauf des Vorhabens

7 Fachinformationszentrum Karlsruhe 7 Die Planung des Gesamtprojektes erfolgte durch das Steinbeis-Transferzentrum Energie-, Gebäude- und Solartechnik in Stuttgart unter wissenschaftlicher Begleitung des Instituts für Thermodynamik und Wärmetechnik an der Universität Stuttgart. Die Messdaten des Wärmekreislaufes und der Messonden im Erdreich des Pilotprojektes und der 1. Ausbaustufe wurden online über Modem direkt nach Stuttgart übertragen und mit den Daten der Simulationsrechnung verglichen. Mit der Ausführung des 1. Bauabschnitts wurde im 4. Quartal 1996 begonnen, in dem für die Heizzentrale, die Wärmeleitungen, den Langzeitwärmespeicher, die Kollektorfelder und die Solarübergabestationen die Ausführungsplanungen und die Leistungsverzeichnisse erstellt wurden. Nach Ausschreibung erfolgte die Vergabe für die einzelnen Teilgewerke durch den Gemeinderat im Februar bzw. März Im 1. Halbjahr 1997 erfolgte die Einrichtung der Heizzentrale, die Verlegung der Wärmeleitungen sowie die Installation der Kollektorfelder und der Solarübergabestationen. In der 2. Hälfte des Jahres 1997 wurde der Pilotlangzeitwärmespeicher mit 36 Erdsonden fertiggestellt und in Betrieb genommen. Um frühzeitig Ergebnisse aus dem Betrieb des Probespeichers zu erhalten, wurden ab in der Heizzentrale erzeugte Wärmemengen eingespeichert und messtechnisch ausgewertet. Aufgrund der positiven Ergebnisse des Pilotspeichers wurde im 2. Halbjahr 1998 die 1. Ausbaustufe des Langzeit-Wärmespeichers realisiert. Wichtige wärmetechnische Verbesserungen bezüglich Wärmespeicherkapazität und Wärmeleitfähigkeit wurden in die 1. Ausbaustufe aufgenommen. Insbesondere wurden die Bohrlöcher auf die Dimension DN 150 erweitert, um durch einen größeren Abstand zwischen den aufund absteigenden Leitungen, die Kurzschlussreaktionen reduzieren zu können. Die Gesamtmaßnahme wurde planmäßig bis zum abgeschlossen und konnte in Betrieb genommen werden. 4.0 Aktueller Stand Zur Zeit (Stand 2/2001) erfolgt der 2. Ausbau des Erdsondenspeichers auf ein Volumen von m³. Die Inbetriebnahme ist für den Frühsommer 2001 vorgesehen. Gleichzeitig erfolgt die Erweiterung des Nahwärmegebietes im südlichen Bereich durch Bebauung vorwiegend mit Reihen- und Einzelhäusern. Innerhalb dieses Bereiches erfolgt eine Erhöhung der Kollektorfläche um weitere ca m², wobei angestrebt wird, kostengünstige Solar-Roof bzw. Großkollekorfelder einzusetzen. Desweiteren wird derzeit ein Großkollektorfeld auf dem Lärmschutzwall entlang der Landesstraße L1095 mit einer Fläche von m² gebaut.