Intelligent geregelte Temperaturzonen in Fernwärmenetzen

Die Grundfos GmbH (Erkrath) hat mit iGRID eine Lösung entwickelt, mit der Fernwärmenetze in einzelne Zonen unterteilt werden können. Durch eine intelligente Datenerfassung und -auswertung in Echtzeit lässt sich die Energieversorgung in diesen Zonen gezielter an den Bedarf anpassen und dabei die Temperatur absenken. Durch die Reduzierung der Vorlauftemperaturen können CO2-Emissionen gespart, alternative Energiequellen eingesetzt und die Lebensdauer der Leitungen erhöht werden.

Der Bereich der urbanen Wärmeversorgung stellt ein hohes Potential zur Erreichung der Klimaziele dar. Die Elektrizitäts- und Wärmeerzeugung trägt weltweit am meisten zu der energiebedingten CO2-Emissionen bei. Der Energieversorgung mittels Fernwärme kommt hierbei eine Schlüsselrolle zu. Nachhaltig erzeugt und intelligent genutzt, leistet sie einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung von CO2-Emissionen.
Die Minimierung der zu verteilenden Energie und damit die Reduzierung der Wärmeverluste senkt auch die CO2-Emissionen. Durch eine Reduzierung der Temperaturen in einem Fernwärmenetz lassen sich somit Energieeinsparungen erreichen, bzw. in einem bestehenden Netz die Kapazitäten erweitern.
Viel wichtiger ist allerdings, dass sich durch eine deutliche Reduzierung der Vorlauftemperaturen die verschiedensten alternativen Energiequellen einbinden lassen. Durch die Nutzung z.B. von Wind- oder Solarenergie, durch Geothermie (mittels Wärmepumpen) oder andere Niedertemperaturenergiequellen wie die Nutzung von industrieller Überschusswärme kann die Wärmeversorgung von der Erzeugung über die Distribution bis hin zum Verbraucher völlig CO2-neutral gestaltet werden. Fossile Brennstoffe werden nahezu überflüssig.
Die Herausforderung bei Modernisierungsmaßnahmen besteht in den zumeist historisch gewachsenen Fernwärmenetzen, die sich deutschlandweit sehr unterschiedlich darstellen. Oft sind die Temperaturen noch sehr hoch (deutlich >100°C). Die Netztemperatur richtet sich in der Regel nach dem Verbraucher mit den höchsten Temperaturanforderungen (z.B. Industriegebiete). Jedoch gibt es - sogar meist überwiegend - viele Zonen, in denen deutlich niedrigere Temperaturen ausreichend wären (z.B. Wohngebiete, Gewerbegebiete, etc.). Darüber hinaus werden Gebäude durch energetische Sanierungen optimiert und benötigen weniger Energie, als in der Vergangenheit.
Dies bedeutet, dass die vorhandenen hohen Vorlauftemperaturen zum einen für den Wärmebedarf der meisten angeschlossenen Verbraucher meist überhaupt nicht erforderlich sind, zum anderen bringen sie für den Betrieb vom Fernwärmenetzen gravierende Nachteile mit sich, zum Beispiel:

– beträchtliche Wärmeverluste
– Verdampfungsgefahr
– hohe Beanspruchung des Rohrsystems
– höhere Rohrspezifikation beim Ausbau des Netzes
– keine Einspeisung von Wärmequellen mit niedrigen Temperaturen

Mit Blick auf die Zukunftsfähigkeit ist vor allem der letzte Punkt ein gravierender Nachteil. Denn bei Vorlauftemperaturen deutlich über 90°C lässt sich in der Regel weder Wärme aus erneuerbaren
Energien, wie etwa Geo- oder Solarthermie, noch vorhandene Abwärme aus industriellen Prozessen sinnvoll in das Netz einbinden. 

Eine Möglichkeit, schrittweise Investitionen in die Sanierung der Fernwärmenetze fließen zu lassen, ist die Aufteilung dieser Netze in Zonen mit individuell angepassten Temperaturen je nach Art und Lage der Verbraucher, die dann bedarfsgerecht als Teilnetze mit geringeren Vorlauftemperaturen gefahren werden können. Dies erlaubt bereits große Einsparungen durch reduzierte Wärmeverluste. Der Einsatz von einzelnen Wärmetauscher-Stationen zur Absenkung erfordert allerdings hohen Installationsaufwand und bringt Druckverluste und beträchtliche Betriebskosten mit sich. Ein neuer Ansatz besteht darin, die Vorlauftemperatur mittels Mischkreise zonenweise anzupassen. Dabei wird für die jeweilige Unterverteilzone Wasser aus dem Rücklauf entnommen und mittels einer Pumpe dem Vorlauf beigemischt. Durch eine intelligente Regelung lässt sich die Vorlauftemperatur damit nicht nur statisch auf einen niedrigeren Sollwert absenken, sondern auch dynamisch an wechselnde Lasten anpassen. Zudem kann auch die Rücklauftemperatur gesenkt werden, was eine höhere Effizienz in der Produktion zur Folge hat.
Die dezentrale Druckerhöhung reduziert zudem den Druckbedarf, den die Primärpumpen aufbringen müssen und die Netzkapazität kann sogar erhöht werden. Alternative Energien können individuell eingesetzt werden. Der Investitionsaufwand ist zunächst gering, da nicht das gesamte System auf einmal angepasst werden muss, sondern einzelne Zonen gesondert optimiert werden können. Ein weiterer Vorteil ist die signifikante Verlängerung der Lebensdauer der Leitungen. Diese verlängert sich z.B. auf über das dreifache bei einer Temperaturreduktion von 120°C auf 90°C.

Grundfos iGRID ist auf verschiedenste Weise als Komplettlösung integrierbar, z.B. unterirdisch in einem Schacht, oberirdisch in einem Kabinett oder auch als vorgefertigtes Gestell, welches in bestehende Gebäude integriert werden kann.

Grundfos iGRID ist ein intelligenter Mischkreis, der eine definierte Zonentemperatur durch Mischung des kühlen Rücklaufs in den heißen Vorlauf ermöglicht. Intelligente Messsensorik, die sogar ohne eigene Stromversorgung auskommt und an kritischen Stellen im Verteilnetz installiert wird, sendet in Echtzeit Netzdaten zum iGRID System, welche durch entsprechende Algorithmen verarbeitet und die Regelung permanent überwacht und optimiert werden. Hierbei wird nicht nur eine Reduktion der Temperaturniveaus erreicht, sondern die Versorgung auf den tatsächlichen Bedarf hin stetig optimiert. Durch das permanente Monitoring solcher Daten sind intelligente Regelungen wie die der Grundfos iGRID-Lösung in der Lage, Verbrauchsmuster im Tages-, Wochen- und Jahresablauf zu erkennen. So kann die Regelung beispielsweise morgendliche Lastspitzen an Wochentagen erkennen und rechtzeitig den Sollwert für die Vorlauftemperatur anheben.
Mittels einer speziellen Controller-Einheit ist der Zugriff auf aktuelle Witterungsdaten und eine 24-Stunden- Wettervorhersage möglich, um die Vorlauftemperatur witterungsgeführt anzupassen. Sämtliche Daten können dabei über eine Cloudplattform permanent überwacht und angepasst werden.

Monitoring der iGRID Parameter in einer Temperaturzone mittels Cloudplattform

Voraussetzung für den optimalen Betrieb solcher Mischkreislösungen ist eine intelligente Regelung. Dabei gilt es, die vorgegebene Sollwerttemperatur möglichst exakt auszuregeln, um einen gleichmäßigen Netzbetrieb mit minimalen Temperaturschwankungen zu gewährleisten.
Bei der Temperatur-Optimierungseinheit von Grundfos kann das auch im Standalone-Betrieb ohne Einbindung in eine vorhandene Leittechnik erfolgen. Dabei gleicht die integrierte Regeleinheit die anliegenden Betriebsparameter und die aktuelle Vor- und Rücklauftemperatur ständig mit vorgegebenen Sollwerten wie Mindesttemperatur oder Differenzdruck ab und regelt so, je nach eingesetzter hydraulischer Schaltung, die Pumpen und Ventile für die erforderliche Beimischung aus dem Rücklauf. Die Anlage kann nicht nur in eine vorhandene SCADA-Leittechnik eingebunden werden, sondern lässt sich auch über die web-basierte Monitoring Lösung iGRID ansteuern. Auf diese Weise haben Betreiber oder externe Techniker per PC oder Smartphone Zugriff auf aktuelle Betriebsdaten wie Vor- und Rücklauftemperaturen oder Differenzdruck und können im Bedarfsfall auch Sollwerte anpassen und in die Regelung eingreifen.

Intelligent geregelte Mischkreislösungen bieten die Möglichkeit, Fernwärmenetze mit geringem Aufwand und minimalem Eingriff in die vorhandene Netzstruktur wirksam zu optimieren. Sie können dezentral in einem oder mehreren Unterverteilnetzen eingesetzt werden und ermöglichen Zonen
mit bedarfsgerechten, niedrigeren Übertragungstemperaturen. Dadurch lassen sich die Wärmeverluste in einzelnen Zonen um bis zu 20% reduzieren und das gesamte Netz durch einen gleichmäßigeren, niedrigeren Systemdruck entlasten. Zudem erleichtert die Temperaturabsenkung die Einspeisung von Wärme aus erneuerbaren Energien, die eine wesentliche Voraussetzung für das Erreichen von Klimazielen ist. Schließlich reduzieren sich bei Netzerweiterungen auch die Kosten für die Isolation von Rohrleitungen. Und dort, wo Netze bereits an ihre Kapazitätsgrenze gestoßen sind, kann die Temperaturoptimierung einen weiteren Ausbau erst wieder möglich machen. Insgesamt hilft der Einsatz der Temperaturoptimierung bei geringen Investitionskosten die wirtschaftliche und ökologische Effizienz von Fernwärmenetzen zu verbessern und somit Energie zu sparen, den CO2 Ausstoß zu verringern und einen Beitrag zur Erreichung der Klimaziele zu leisten.
Grundfos iGRID bietet hier eine kostengünstige intelligente, förderfähige Lösung, die es den Betreibern erlaubt mit geringem Aufwand bereits jetzt mit einer Netztransformation zu beginnen, sich zukunftsorientiert aufzustellen.