Nachhaltiges Energiemanagement und Synergienutzung auf Stadtteilebene durch Integration von thermischen Speichern

In der Regel wird die Kondensationswärme aus industriellen Prozesskälteanwendungen vorwiegend über Kühltürme in die Umgebung abgeführt, oft ohne auf potenzielle Abwärmenutzungs- oder alternative Rückkühlungsmöglichkeiten zu achten. Oft wird auch vergessen, dass Kompressionskältemaschinen auch als Wärmepumpen betrieben werden können, und dass deren Auslegung und Betriebsweise in Hinsicht auf Wärme- und Kälteerzeugung optimiert werden kann, um Investitions- und Betriebskosten einzusparen und die vom Energieeinsatz indirekt verursachten CO2-Emissionen zu reduzieren. Gerade an Gewerbestandorte, die durch eine gewisse Gleichzeitigkeit zwischen Wärme- und Kältebedarf und eine Komplementarität zwischen Nutzungen verfügen, können durch lokale Energieinfrastrukturmaßnahmen (Wärmetauscher, Wärmepumpen, Speicher und Mikronetze) energetische Synergienutzungen ermöglicht werden. Das Energiekonzept für das Gebäude FUTUREbase in Wien basiert auf die Nutzung von vorhandenen Energiepotenzialen in der direkten Umgebung des geplanten Gebäudes und wird daher als prototypisches Fallbeispiel herangezogen. Damit soll die Installation von zusätzlichen Energieerzeugungsanlagen am Standort vermieden werden. Der Stadtteil ist als Gewerbegebiet gewidmet und bietet daher gute Voraussetzungen für energetische Synergienutzungen an. Abgesehen von den bestehenden Energieerzeugungskapazitäten bei den Gebäuden ENERGYbase und TECHbase ist das größte Potenzial in der direkten Nachbarschaft von FUTUREbase bei den Anlagen der Firma RTA (Rail Tec Arsenal Fahrzeugversuchsanlage GmbH) zu finden, wo zum Betrieb der Klima-Windkanäle große Wärme- und Kältemengen erzeugt und abgeführt werden müssen. In einer Vorstudie dazu wurden die Abwärmenutzungspotenziale grob quantifiziert und ein Mittelzeitspeicher vorausgelegt. Die Studie hat aber vor allem gezeigt, dass noch grundlegende methodische Schritte durchgeführt werden müssen, um zu einer exergetisch und ökonomisch optimalen Systemauslegung zu gelangen. Die Systemkomplexität und vor allem die energetischen Rückkopplungen zwischen Gebäuden, bestehenden haustechnischen Systemen, Speichern und dem einzubindende Kälteprozess erfordert Zugriff auf die Methoden der thermischen Prozessintegration, die bis jetzt vor allem in der Chemieindustrie eingesetzt worden sind. Ziele und gewählte Methode Das lokale Energiesystem (Büro-/Labor- und Industriegebäude) soll in seiner Gesamtheit betrachtet werden, um die exergetisch und ökonomisch sinnvollste Lösung zur Wärme- und Kältebereitstellung zu definieren. Das Ziel geht über die optimale Auslegung der Wärmerückgewinnungs- und thermischen Speicherkomponenten hinaus, weil auch die bestehenden Anlagenteile (Kältemaschinen, Wärmepumpen, Grundwasserregister, Speicher, solarthermische Kollektoren) und deren Betriebsweise angepasst werden sollen. Zu diesem Ziel eignet sich die Methode der Energieintegration, die – basierend auf die Abbildung der optimierten Wärme- und Kaltströmen in sogenannten Verbundkurven und in Anknüpfung mit Optimierungsalgorithmen – die Auswahl und Auslegung der wesentlichen Energieinfrastrukturkomponenten ermöglicht. Angestrebte Ergebnisse und Erkenntnisse Das Ergebnis ist eine optimale Auslegung aller Systemkomponenten, inklusive Wärmetauscher, thermische Speicher und Wärmepumpen, wodurch für den gesamten Standort (Industrie- und Bürogebäude) die kosteneffizienteste Lösung zur einer exergetisch optimierten Wärme- und Kälteversorgung definiert wird. Dazu wird auch die optimale Betriebsweise dieses komplexen Energiesystems definiert. Für den Standort entsteht eine solide Grundlage zur weiteren Anlagendetailplanung, während die entwickelte Methode an weiteren Standorten angewandt werden kann.