Gastbeitrag: Flexibilität im Wärmesektor

Wärmenetze eignen sich hervorragend zur Einbindung von erneuerbaren Energien sowie Abwärme und ermöglichen die Kopplung mit anderen Energiesektoren oder Energieinfrastrukturen. Und genau hier setzt das Projekt ThermaFLEX an. Das Forschungsprogramm beschäftigt sich mit der Erhöhung der Systemflexibilität und den daraus resultierenden Effekten für den Wärmesektor. Schon heute wird jedes vierte Haus in Österreich über Wärmenetze versorgt – das zeigt, welches Veränderungspotential in einer Flexibilisierung steckt. Eine konsequente Integration von erneuerbaren Energien und Abwärme in die Wärmenetze der Zukunft verbessert nicht nur die Luftqualität, sondern vermeidet auch beträchtliche Anteile an CO₂-Emissionen, erhöht die Versorgungssicherheit und kann Verbraucher langfristig vor steigenden Öl- und Gaspreisen schützen.

Im Rahmen des Projekts beschäftigt sich das AEE – Institut für nachhaltige Technologien gemeinsam mit 27 Projektpartnern aus der Energiewirtschaft, der Forschung sowie Know-How- und Technologieanbietern mit der Fragestellung, wie Fernwärmenetze flexibler und effizienter gestaltet werden und dekarbonisiert werden können. Die Partner setzen dabei vielseitige Demonstrationsprojekte um, die sich stark in Umfang und Komplexität unterscheiden. Wien Energie arbeitet im Zuge des Projektes an drei vielschichtigen Demonstrationsfällen:

Die Nutzbarmachung von Abwärme aus unterschiedlichen Quellen stellt einen wichtigen Baustein zur Dekarbonisierung der Wärmenetze dar. Das Hauptziel des Projektes ist die Nutzung der im Thermalwasser gespeicherten Abwärme nach der internen Nutzung durch die Therme Wien im Bezirk Oberlaa. Damit das gelingt, wird die Restwärme des Abwassers, das noch rund 30 Grad warm ist, weiterverwendet.

Zwei identische wassergekühlte Kompakt-Wärmepumpen wurden so ausgelegt, dass sie etwa 2,2 MW Leistung bei einer Temperatur bis zu 85°C in das Wärmenetz (Sekundärnetz) der Stadt Wien einspeisen. Mit einer zusätzlichen P2H-Anlage kann die Temperatur im Bedarfsfall (z.B. wenn die Außentemperatur unter -5°C liegt) weiter erhöht werden. Die Anlage wurde in der Tiefgarage der Therme installiert und mit dem 20-kV-Stromnetz der Stadt verbunden. Die Inbetriebnahme und die Probebetriebsphase sind für Anfang 2022 vorgesehen. Danach liefert die innovative Abwärmenutzung Wärme für rund 1.900 Haushalte und spart 2.600 Tonnen CO₂ jährlich ein.

In diesem Demonstrationsprojekt wird der Ansatz der sogenannten Sektorkopplung, also das Verschmelzen verschiedenerer bislang getrennter Systeme, verfolgt. In der Müllverbrennungsanlage Wien-Spittelau ist geplant, die anfallende Abwärme aus der Rauchgaskondensation (latente Energie) der Verbrennungsanlage als Energiequelle für eine Hochtemperatur-Wärmepumpe zu nutzen und ins Fernwärmenetz der Stadt Wien einzuspeisen. Die thermische Leistung des geplanten Wärmepumpenkonzepts liegt bei rund 16 MW und würde die Leistung der Verbrennungsanlage somit von 60 MW auf etwa 76 MW erhöhen. Der mehrstufige Bauprozess soll 2022 gestartet und Ende 2024 abgeschlossen werden.

Die Hauptvorteile des Systems sind die Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der Verbrennungsanlage durch die Nutzbarmachung der Abwärme für das Fernwärmenetz, die Verringerung der Primärenergie für die Fernwärmeversorgung sowie eine CO₂-Reduktion bei der Wärmeerzeugung.

Im Rahmen dieses Projektes wird an der Realisierung einer Demonstrationsanlage zur Abwärmenutzung aus Abwasser gearbeitet. Zur Identifikation potenzieller Standorte wurden in einem ersten Schritt an 13 Stellen im Wiener Kanalnetz Messungen durchgeführt, um die Durchflussmengen und Temperaturniveaus des Abwassers zu evaluieren. Die Auswahl der Standorte basierte auf Überlappung der Infrastrukturen für Kanalisation und Fernwärme unter Berücksichtigung der Distanzen, des spezifischen Wärmebedarfs der Netzabschnitte und der Abwassermengen. Auf Basis der ermittelten Daten und verfügbaren Bauflächen wurde ein Standort in unmittelbarer Nähe des Bahnhofs Wien Liesing im 23. Bezirk identifiziert.

Das Konzept wurde speziell darauf ausgelegt, ein Abwärmepotential im Bereich von mehreren Megawatt in das Fernwärmesystem zu integrieren und basiert auf der Entnahme beziehungsweise Ausleitung des Abwassers aus dem Kanal und nachfolgender Wärmeübertragung durch Wärmetauscher. In einem weiteren Schritt werden Wärmepumpen mit einer Gesamtwärmeleistung von rund 2 MW eingesetzt und heben die Temperatur auf das notwendige Niveau zur Einspeisung in das bestehende sekundäre Wärmenetz (Vorlauftemperaturen zwischen 65 und 90 °C). Die Wärmepumpen mit einem COP zwischen 2,55 und 3,36 wurden dabei zweistufig ausgelegt und verwenden Hydrofluorolefin (R1234ze (E)3) als Kältemittel. Das Konzept erwies sich am ausgewählten Standort schlussendlich als nicht rentabel, die Ergebnisse flossen aber in einen Leitfaden hinsichtlich der Planung ähnlicher Anwendungen.