Florian Ruesch

Wärmespeicher können dabei helfen, thermische Netze rationaler zu dimensionieren und zu betreiben. Es können damit Lastspitzen geglättet und der Einsatz fossiler Spitzenlastkessel vermieden werden. Wärmeüberschüsse können zwischengespeichert werden. Insbesondere dezentrale Speicher ermöglichen es zudem, einzelne Netzabschnitte zu entlasten, bzw. Netzverdichtungen und Erweiterungen zu ermöglichen. Sie sind auch ideal für die effiziente Einbindung dezentraler Wärmeerzeuger. In diesem Projekt werden die möglichen Kosten- und Emissionseinsparungen durch den Einsatz dezentraler thermischer Speicher in unterschiedlichen Fernwärmenetzen quantifiziert. Zusätzlich zu Empfehlungen für die Dimensionierung und den Betrieb solcher Speicher wird ein Excel-Anwendertool entwickelt, mit dem Planer den Einfluss von Speichern auf die Leistungsverteilung und die Kosten eines thermischen Netzes bestimmen können.

Die Substitution fossiler Brennstoffe durch erneuerbare Energien wird ohne einen signifikanten Ausbau der saisonalen Energiespeicherung nicht machbar sein. Saisonale thermische Energiespeicher (STES) können hier einen wesentlichen Beitrag leisten. SwissSTES erforscht systematisch unterschiedliche Potenziale für Saisonspeicher wie z.B. die Erschliessung von ungenutzten Hohlräumen, Erdsonden- oder Erdbeckenspeicher und entwickelt neuartige STES-Technologien zusammen mit einem systemischen Aktions- und Umsetzungsplan für die Schweiz. Das interdisziplinäre Konsortium bringt alle relevanten Akteure aus Wissenschaft, Industrie und Gesellschaft zusammen, um die Verbreitung von STES in der Schweiz voranzutreiben. Dabei spielen technische Innovationen, aber auch gesellschaftliche, raumplanerische, rechtliche und wirtschaftliche Aspekte eine wichtige Rolle. Regionale Fallstudien bilden den Rahmen für die Einführung von zukünftigen Pilot- und Demonstrationsprojekten in der ganzen Schweiz.

Solarunterstützte Wärmenetze erleben in Dänemark einen regelrechten Boom und sind auch in Ländern wie Österreich, Deutschland und Schweden auf dem Vormarsch. Bei sehr grossen Anlagen sind dabei solare Wärmegestehungspreise von deutlich unter 5 Rp/kWh möglich. Das SPF unterstützt einzelne Netzbetreiber dabei, die Möglichkeiten zur Einbindung von Solarthermie für konkrete Fälle zu analysieren und untersucht, wie grosse Solarthermieanlagen, im schweizerischen Kontext, optimal in Biomasse-Wärmenetze eingebunden werden können.

In diesem Projekt wird erstmals ein recyclingfähiger Asphaltkollektor für die Regeneration von Erdwärmesonden gebaut, vermessen und optimiert.

Hintergrund dieses Pilot- und Demonstrationsprojektes ist die immer dichtere Nutzung von Erdwärmesonden, die zu einer langfristigen Abkühlung des Untergrundes führt. Vor allem im urbanen Raum weisen Studien darauf hin, dass ein beträchtlicher Regenerationsbedarf besteht. Eine mögliche kostengünstige Wärmequelle für diese Regeneration stellen Asphaltkollektoren dar, welche die Wärme aus der Sonneneinstrahlung auf asphaltierte Plätze nutzen. Erste Pilotprojekte haben gezeigt, dass mit im Asphalt verlegten Kollektorrohren vielversprechende Erträge erzielt werden können. Allerdings war in diesen Fällen die Recyclingfähigkeit des Asphalts nicht mehr gegeben. Aufgrund von Simulationen wird davon ausgegangen, dass auch eine Verlegung der Kollektorrohre in der darunter liegenden Sauberkeitsschicht (Trennlage zwischen Baugrund und Asphaltfläche) für die Anwendung der Erdsondenregenerierung möglich ist, wodurch die Rezyklierbarkeit des Asphalts erhalten wird. Dies soll in diesem P&D-Projekt umgesetzt und untersucht werden.

Im Projekt Ice-Grid werden mögliche Einsatzgebiete von Eisspeichern in thermischen Niedertemperatur-Netzen untersucht. In Kombination mit anderen Speichern können Eisspeicher die Verfügbarkeit von Wärme oder Kälte zeitlich verschieben. Da latente Wärme bei 0 °C gespeichert wird, sind Eisspeicher insbesondere im Hinblick auf steigenden Kühlbedarf in Zukunft interessant. Für Netzkonfigurationen mit begrenzten Quellen, wie zum Beispiel Abwärme auf tiefem Temperaturniveau, wird die Integration von Eisspeichern zur Netzerweiterung geprüft. Für die Analysen werden generische Niedertemperaturnetze simuliert und verschiedene Varianten untersucht.

In diesem Projekt werden die Möglichkeiten analysiert, welche grosse Wärmespeicher für die Dekarbonisierung und gleichzeitige Erweiterung von Wärmenetzen bieten. Dabei werden verschiedene Techniken der kurz-, mittel- und langfristigen Wärmespeicherung betrachtet. Im Fokus stehen der Ersatz fossiler Spitzenlastkessel, die bessere Einbindung von Abwärme, die Verlagerung von Energie vom Sommer auf den Winter und innovative Ansätze der Sektorkopplung zum Ausgleich von Produktion und Nachfrage von Strom.

Die Analysen werden anhand repräsentativer generischer Wärmenetze und für konkrete Fallstudien der beteiligten Industriepartner durchgeführt. Neben den allgemeinen Erkenntnissen wird auch einer zeitnahen Überführung in Pilot- und Demonstrationsprojekte angestrebt.

Die saisonale Speicherung von Wärme in 100 % solarthermisch beheizten Ein- oder Mehrfamilienhäusern wurde in der Schweiz bereits mehrfach umgesetzt. Aktuell wird in Benzenschwil (AG/CH) das erste MFH mit saisonalem Wärmespeicher gebaut, welches an Stelle von solarthermischen Kollektoren eine Kombination von PV und Wärmepumpe verwendet. In diesem Projekt werden Konzepte mit einer 100% solarthermischen, einer solar elektrischen und einer kombinierten Wärmeversorgung miteinander verglichen, wobei der ganze Lebenszyklus (LCA) der verschiedenen Systeme betrachtet wird.

Wärmepumpen mit Erdwärmesonden sind effiziente Wärmeerzeuger und können daher einen entscheidenden Beitrag zur Verminderung der CO2 Emissionen des Schweizer Gebäudeparks leisten. Reversibel betrieben können sie auch zur Deckung des steigenden Kältebedarfs der Gebäude eingesetzt werden. Die SIA 180 fordert aber passive Massnahmen für den Wärmeschutz, obwohl eine aktive Kühlung zu grossen Teilen mit PV-Strom erfolgen könnte. In diesem Projekt wird untersucht, unter welchen Bedingungen eine aktive Kühlung energetisch und ökonomisch sinnvoll ist. Dabei werden hohe Regenerationsgrade der Erdwärmesonden vorausgesetzt und ganze Quartiere betrachtet.

Minergie 2017 und MukEn 2014 legen Rahmenbedingungen fest, welche dazu führen, dass mehr Sonnenkollektoren installiert werden oder auch nicht. Im Projekt wird abgeklärt, welche Faktoren für die Wahl und den Einsatz von Sonnenkollektoren entscheidend sind. Aufbauend auf den bestehenden Standards sollen Grundlagen und Tools dahingehend verbessert werden, dass eine vermehrte Nutzung der Solarwärme stattfinden kann.

Im BillySolar Projekt, das vom BFE finanziert wird, untersuchen wir gemeinsam mit der HSLU, Vela Solaris, Soltop und TVP, wie ein fertig konfiguriertes und modular skalierbares solares Wärmesystem für den Einsatz in der Industrie an verschiedenen Produktionsstandorten und für verschiedene Prozesse (Wärmesenken) idealerweise spezifiziert ist. Diese Einheit soll in erster Linie aus einem Solarthermie System, welches ggf. zusätzlich ergänzt wird durch Abwärmenutzung und/oder Kopplung an ein Fernwärmenetz bestehen. Alternativ zur Solarthermie wird aber auch Photovoltaik kombiniert mit Wärmepumpen oder eine Kombination beider Ansätze untersucht. Darauf aufbauend werden Finanzierungsmodelle abgeleitet.

Zum Thema Legionellen in Warmwassersystemen hat das SPF von 2017 – 2020 drei Projekte durchgeführt. Im Projekt LegioSafe (2018) wurde eine Literaturstudie bezüglich Legionellen, Temperaturen in Trinkwassersystemen, sowie Vorkommen von Legionellen in Anlagen mit solarthermischer Trinkwassererwärmung erstellt. Im Jahr 2019 wurde in «LegioSafeCheck» eine Feldstudie in 110 Gebäuden durchgeführt. Es wurden dabei mehr als 300 Duschwasserproben und über 100 Proben aus dem unteren Bereich von Wärmespeichern genommen und auf Legionellen analysiert. Ein Jahr später wurden in «LegioSafePlus» ausschliesslich Objekte nochmals beprobt, in welchen im Jahr 2019 Legionellen > 1000 KBE/L in mindestens einer Duschwasserprobe gefunden wurde. Die Resultate flossen ein in die Normierungsarbeit der SIA 385/1:2020 und sind in drei Schlussberichten beschrieben. Alle Resultate wurden in einem Artikel, der in der «hk gebäudetechik» erschienen ist, zusammengefasst. Auf Grund von im Feld festgestellten Installationsmängeln, wurde ein Merkblatt zur korrekten Kombination von Warmwasserzirkulation und zentraler Kaltwasserbeimischung erstellt, an welchem sich auch die Verbände suissetec, GKS und Swissolar, sowie EnergieSchweiz beteiligten.

Vollständig solar beheizte Ein- und Mehrfamilienhäuser sind technisch bereits heute realisierbar. Die dafür nötige saisonale Speicherung von Wärme ist mit entsprechenden Investitionskosten und einem erheblichen Bedarf an Wärmespeichervolumen und Raumbedarf verbunden. In diesem Projekt wird analysiert, inwiefern Kosten und Bedarf an Speichervolumen, durch eine Kombination von Solarthermie mit einem photovoltaisch angetriebenen Wärmepumpe-System, gesenkt werden können. Dazu wird ein bestehendes Mehrfamilienhaus vermessen und analysiert, und es werden neue, innovative Konzepte simuliert und optimiert. Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit der Hochschule Luzern (HSLU) und der Jenni Energietechnik AG durchgeführt.

Anforderungen und mögliche Schweizer Standorte

Die Drake Landing Solar Community in Kanada hat weltweit Aufsehen erregt, als sie mit einem Konzept aus Sonnenkollektoren und Erdspeicher im Jahr 2015 die Raumwärme für ein ganzes Einfamilienhausquartier zu 100 % aus Solarenergie erzeugen konnte. In diesem Projekt wurde abgeklärt, inwiefern ähnliche Konzepte auch in der Schweiz umgesetzt werden können. Dazu wurden die rechtlichen Rahmenbedingungen zusammengefasst und die wirtschaftlichen Voraussetzungen evaluiert. Eine GIS basierte Analyse zeigt, welche Standorte sich aufgrund von Sonneneinstrahlung und Geologie besonders für ein derartiges Konzept eignen.

Solarunterstützte Wärmenetze sind in Ländern wie Österreich, Deutschland und Schweden bereits weit verbreitet, und erleben in Dänemark im Moment einen regelrechten Boom. Dabei wurden schon solare Wärmegestehungspreise von unter 5 Rp/kWh erreicht. In der Schweiz gibt es jedoch höchstens eine Hand voll kleinere Anlagen, die sich meist auf die Versorgung weniger Gebäude beschränken. Mit der Machbarkeitsstudie solarunterstützte Wärmenetze sollen alle vom Kanton St. Gallen geförderten Wärmenetze im Hinblick auf die Machbarkeit und das Kosten – Nutzen Verhältnis einer solaren Unterstützung untersucht werden.

Dieses Projekt wird unterstützt durch den Kanton St.Gallen und das Bundesamt für Energie (BFE).

Es gibt bisher keine klaren Richtlinien oder universell anwendbare Grenzwerte für reflektiertes Licht im öffentlichen Raum. Deswegen werden im Projekt Reflex geeignete physikalische Parameter ermittelt, die für die Beschreibung und Bewertung der "störenden Blendung" wichtig sind. Gleichzeitig werden Reflexions- und Streuverhalten verschiedener Oberflächen messtechnisch durch die bidirektionalen Reflektanz-Verteilungsfunktionen (BRDF) erfasst. Mit dieser Methode werden Messungen an Gläsern für Bauteile der Gebäudehülle (inklusive Sonnenkollektoren und Fotovoltaikmodulen) durchgeführt. Mit den Messergebnissen wird eine Datenbank aufgebaut, die zentrale Eingabeparameter zur Charakterisierung von Oberflächen in lichttechnischen Programmen zur Verfügung stellt. Dadurch kann bei der Bewertung der Blendwirkung von Reflektionen bereits bei der Planung auf eine fundierte physikalische Grundlage zurückgegriffen werden. Es können ausserdem neue Materialien oder neuartige Oberflächenstrukturen aussagekräftig bezüglich Blendung bewertet werden.

Reflex wird durch das Bundesamt für Energie (BFE) finanziell unterstützt.

Nahwärmenetze, welche Abwärme in Erdsondenfeldern speichern

und auf tiefem Temperaturniveau als Quelle von dezentralen Wärmepumpen wieder zur Verfügung stellen, werden derzeit in verschiedenen Pilotanlagen getestet. Um die Funktionsweise dieser Systeme besser zu verstehen, werden diese in dynamischen Simulationen abgebildet. Dies erlaubt es anschliessend, auf der Basis von realen Netzen Optimierungsvorschläge für den Betrieb und die Einbindung von erneuerbaren Energien auszuarbeiten.

TARO wird vom Bundesamt für Energie (BFE) finanziell unterstützt und wird mit den Industriepartnern Amstein+Walthert AG und Vela Solaris AG durchgeführt.