Wärme und Stromversorgung

Ein Baustein auf dem Weg zur Klimaneutralität von Städten stellt die dezentrale erneuerbare Erzeugung von Strom in öffentlichen Gebäuden dar. Dies gilt insbesondere für Schulen, die meist die höchsten Energieverbräuche der kommunalen Gebäude aufweisen als auch für die energieintensive Abwasseraufbereitung in Klärwerken, weshalb der Fokus der Untersuchungen auf diese zwei Anwendungsfälle gelegt wurde. Für die Wärmenutzung aus Abwasser konnte für das innerstädtische Wärmenetz ein hohes Potenzial am Auslauf einer Kläranlage sowie ein beachtenswertes Potenzial in einem Abwassersammler ermittelt werden. Weitere Potenzialanalysen für die Abwasserwärmenutzung sowie andere Abflusspotenziale ergaben ein Excel-Tool, welches auf Grundlage von Wärmepotenzialen und Wärmebedarf eine Potenzialabschätzung ermöglicht. Dieses Tool [Verlinkung Produkt] wird als Open Source der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt und kann kostenlos heruntergeladen werden. 

Untersuchungen zum stromoptimierten Betrieb von BHKWs haben gezeigt, dass das Verhältnis zwischen Wärme- und Strombedarf einer Liegenschaft hohen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit einer stromoptimierten Kraft-Wärme-Kopplung-Anlage hat. In einer späteren Untersuchung hat sich die Kombination aus BHKW und Wärmepumpe als vielversprechende Kombination für den Gebäudebestand gezeigt. Dies zeigen auch weitere Untersuchungen zu hybriden Wärmepumpensystemen. Im Rahmen der hybriden Wärmepumpen wurde ein kleineres Konzept (Erdgaskessel + Wärmepumpe) für einen Kindergarten erarbeitet, das im Anschluss umgesetzt wurde. Im anschließenden Monitoring dieser Anlage hat sich gezeigt, dass durch eine solche Kombination signifikante Einsparungen der CO₂-Emissionen erzielt werden können. Perspektivisch werden diese durch stetigen Zuwachs regenerativer Energien im Strommix weiterwachsen. Weiterhin kann durch eine schrittweise thermische Sanierung der Gebäudehülle der Bedarf für den Erdgaskessel auf null gesenkt werden.

Mit dem Ziel der Dekarbonisierung der Wärmeversorgung sollen ungenutzte Wärmequellen erschlossen werden. Die Wärme des Abwassers kann mit Wärmepumpen für die Wärmeversorgung genutzt werden. Bisher wurden in Reutlingen keine Projekte zur Abwasserwärmenutzung umgesetzt. Ziel im Reallabor war es, Potenziale zu ermitteln und Projekte zu initiieren. Dabei hat sich gezeigt, dass am Auslauf des Klärwerks Reutlingen West ein großes Potenzial für die Nutzung von Abwasserwärme besteht: Die Potenzialanalyse ergab, dass durch die Nutzung der Abwärme am Klärwerk in Verbindung mit einer Großwärmepumpe bis zu 60 % des aktuellen Wärmebedarfs im Fernwärmenetz durch Abwasserwärme gedeckt werden könnte. Inzwischen erfolgte eine von den Stadtwerken Reutlingen in Auftrag gegebene Machbarkeitsstudie sowohl am Klärwerk als auch an einem großen Hauptsammler. Beide Wärmequellen sollen in den Transformationsplan zur Dekarbonisierung der Wärmeversorgung aufgenommen werden. Darüber hinaus wird auch die Wärmenutzung am zweiten Klärwerk sowie an einem weiteren Sammler angedacht. Die Vernetzung der Akteur:innen, der steigende öffentliche Druck zur Dekarbonisierung der Wärmeversorgung, steigende Energiepreise für konventionelle Energiequellen und gute Förderbedingungen unter anderem durch die Bundesförderung für effiziente Wärmenetze (BEW) treiben die Nutzung der Abwasserwärme in Reutlingen an und führen dazu, dass Hemmnisse, wie unklare rechtliche Rahmenbedingungen, in Abstimmung mit der jeweiligen Rechtsabteilungen angegangen werden. 

Die Untersuchungen am zweiten Klärwerk führten zu der Erstellung eines Excel-Tools, welches die Möglichkeit gibt, eine erste Kompatibilitätsabschätzung von Wärmequelle und Wärmesenke anzustellen. Das Excel-Tool arbeitet auf Basis der Potenzialdaten der Wärmequelle und der Bedarfsdaten der Wärmesenke. Dieses Tool wurde im Rahmen einer Potenzialabschätzung in Reutlingen-Mittelstadt und im Weiteren in einer Masterarbeit der Hochschule Reutlingen in Filderstadt getestet und verifiziert.

Im Rahmen der „Dekarbonisierung der Wärmeversorgung im Bestand“ wird untersucht, inwieweit bestehende konventionelle Heizsysteme durch hybride Wärmepumpensysteme ersetzt werden können. Dabei deckt die Wärmepumpe die Grundlast der Wärmeversorgung, ein zusätzlicher Wärmeerzeuger übernimmt die Spitzenlast und stellt die erforderliche Temperatur bereit. Dieser zusätzliche Wärmeerzeuger wird in der Untersuchung variiert, auch um die geeignetste Variation für das jeweilige Untersuchungsobjekt zu ermitteln. Als zusätzliche Wärmeerzeuger sollen als Varianten Biomassekessel, Erdgaskessel, elektrischer Heizstab und ein BHKW untersucht werden. Nach der Erstellung des Berechnungstools für hybride Wärmepumpensysteme konnten für eine städtische Liegenschaft bereits Berechnungen erstellt werden, unter welchen Randbedingungen die Wärmepumpe mindestens 65 % des Wärmebedarfs bereitstellen kann und wie die Wärmepumpe dimensioniert werden sollte. Diese Ergebnisse wurden in die Ausschreibung für ein neues Heizsystem durch ein externes Ingenieurbüro integriert. 

Eine Erkenntnis dieser Arbeit ist die notwendige Betrachtung des Trinkwarmwasserbedarfs. Durch die erforderlichen hohen Temperaturen für die hygienische Warmwasserbereitung und den verhältnismäßig geringen Verbrauch in öffentlichen Gebäuden wird die Trinkwarmwasserbereitung allein durch den Kessel vorgenommen. Ein Kindergarten hatte bspw. einen Warmwasserverbrauch von weniger als 5 % des Gesamtwärmeverbrauchs, was der idealen Voraussetzung eines hybriden Wärmepumpensystems entspricht und weshalb genau dieses System dort eingebaut und ein fünf-monatiges Monitoring (Januar bis Mai 2026) durchgeführt wurde. Dies ergab eine Jahresarbeitszahl (JAZ) von ca. 3 für die Wärmepumpe, wodurch die Wärmepumpe knapp 80 % des Wärmebedarfs decken konnte. Eine CO₂-Reduktion von etwa vier Tonnen im gemessenen Zeitraum konnte ebenfalls erzielt werden. Mit dem Kohleausstieg und der weiteren Dekarbonisierung des Strommix sind perspektivisch wesentlich höhere CO₂-Einsparungen erzielbar.

Im Themenfeld “Gemeinschaftliche Eigenstromversorgung eines Schulverbundes” sind die Eigenerzeugungspotenziale und Strom-Community-Optionen ausgewählter Reutlinger Schulen analysiert worden. In einem ersten Schritt wurden die Lastprofile und PV-Erzeugungspotenziale dieser Schulen einzeln und im Verbund ermittelt. Hierauf aufbauend ist die Wirtschaftlichkeit der PV-Anlagen mit und ohne Installation eines zusätzlichen Batteriespeichers unter verschiedenen Preisentwicklungsannahmen berechnet worden. Die Ergebnisse zeigten ein großes Kosteneinsparpotenzial gegenüber einem rein externen Strombezug durch die Installation von PV-Anlagen auf den Schulen, welches durch zusätzliche Batteriespeicher weiter verbessert werden kann. Andererseits verbesserte ein Zusammenschluss der Schulen zur Strom-Community die Wirtschaftlichkeit kaum aufgrund zu ähnlichen Lastprofilen. Eine Strom-Community im Stadtkonzern ergibt demnach nur Sinn, wenn städtische Liegenschaften mit unterschiedlichen Lastprofilen zusammengeschlossen werden, z. B. durch Einbezug der energieintensiven städtischen Eigenbetriebe. 

In einem weiteren Schritt wurden die Treiber und Hemmnisse einer solchen städtischen Strom-Community analysiert. Hierfür sind eine Stakeholderanalyse sowie qualitative Interviews mit den im Realexperiment beteiligten städtischen Akteur:innen – Gebäudemanagement, FairEnergie GmbH, FairNetz GmbH sowie die Task-Force Klima und Umwelt der Stadtverwaltung – zu den Umsetzungsbedingungen für Strom-Community-Optionen durchgeführt worden. Aufbauend hierauf wurden Handlungsoptionen zur Überwindung vorhandener Hemmnisse und zur Stärkung der treibenden Faktoren gemeinschaftlich erarbeitet. Darüber hinaus haben Studierende des Masterstudiengangs M.Sc. Dezentrale Energiesysteme und Energieeffizienz der Hochschule Reutlingen im Rahmen der Vorlesung „Geschäftsmodelle und Marketing“ innovative Geschäftsmodelle für städtische Energie-Communities in Kooperation mit der FairEnergie GmbH entwickelt, u. a. zwei verschiedene Ausgestaltungsoptionen einer Strom-Community und eine Community zum Betrieb einer Biogasanlage in Reutlingen.

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