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Anergienetz

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Definition: ein Leitungsnetz für den Transport von Wärme auf niedrigem Temperaturniveau

Englisch: anergy network

Kategorien: Grundbegriffe, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 28.07.2016; letzte Änderung: 29.07.2016

Wärmepumpenheizungen (wie auch andere Wärmepumpenanwendungen) nehmen Wärme aus einem Reservoir mit niedriger Temperatur auf, um daraus nutzbare Wärme auf einem höheren Temperaturniveau zu produzieren. Die aufgenommene Niedertemperaturwärme kann als Anergie bezeichnet werden.

Wohl nur vergleichsweise kaltes Wasser transportiert wird, sind Wärmeverluste ein geringes oder gar kein Problem.

Bei kleinen Anlagen (ohne Anergienetz) wird die Anergie in unmittelbarer Umgebung der Wärmepumpe der Umwelt entnommen – beispielsweise mithilfe einer oder mehrerer Erdwärmesonden oder über einen Luft/Wasser-Wärmeübertrager der Außenluft. In manchen Fällen ist es aber sinnvoll, die Niedertemperaturwärme über ein Leitungsnetz zu führen, wobei meist nur moderate Distanzen von z. B. einigen hundert Metern überbrückt werden. Ein solches Leitungsnetz wird als ein Anergienetz bezeichnet. Es funktioniert im Prinzip gleich wie ein Netz für Fernwärme oder Nahwärme, außer dass es mit einer niedrigen Temperatur – nicht weit entfernt von der Umgebungstemperatur – betrieben wird: beispielsweise bei 10 bis 15 °C. Deswegen benötigen die Leitungen nur eine geringfügige oder auch gar keine Wärmedämmung, was deren Kosten erheblich reduziert; außerdem sind auch größere Leitungslängen insofern kein Problem. Andererseits wird wegen der normalerweise geringen Temperaturspreizung solcher Systeme tendenziell ein höherer Leitungsquerschnitt benötigt, um den hohen Volumenstrom für eine gegebene Leistung mit moderatem Aufwand für Pumpen zu erzielen. Die Frostsicherheit muss natürlich gewährleistet sein, beispielsweise durch Verlegung der Leitungen in ausreichender Tiefe oder durch Verwendung eines Frostschutzmittels.

Die möglichen Vorteile der Verwendung eines Anergienetzes hängen von den jeweiligen Umständen ab:

Die Kältelast kann auf mehrere Erdsonden gleichmäßig verteilt werden.

Dezentrale Wärmepumpen können einzelne Verbraucher mit den jeweils benötigten Temperaturen versorgen.

Abwärme von diversen Quellen kann auch dezentral eingespeist werden.

Solarthermie kann helfen, die jahreszeitliche Wärmebilanz auszugleichen.

Im Vergleich zu konventionellen Wärmenetzen mit zentralem Wärmeerzeuger (z. B. einem großen Ölheizkessel) erlaubt die Umstellung auf ein Anergienetz oft enorme Energieeinsparungen und eine entsprechende Reduktion klimaschädlicher CO2-Emissionen – in manchen Fällen um mehr als einen Faktor 10.

Beispiele für Strukturen von Anergienetzen

In einfacheren Fällen kann man ein unidirektionale Netz verwenden (Abbildung 1), bei dem eine zentrale Station (Heizzentrale) einen “Warmleiter” mit einer Temperatur von z. B. zwischen 10 und 15 °C speist. Die Zirkulation wird durch eine zentrale Pumpe gewährleistet. Die einzelnen Wärmeverbraucher beziehen Wasser aus der Vorlaufleitung und geben es abgekühlt in die Rücklaufleitung ab. Wärme einspeisende Anlagen dagegen beziehen Wasser ebenfalls aus dem Warmleiter, geben es aber mit höherer Temperatur in die Rückleitung ab. Die zentrale Station muss dafür sorgen, dass die Vorlauftemperatur auch bei schwankenden Entnahmen oder Einspeisungen im vorgesehenen Bereich bleibt. Wärmemengenzähler dienen der finanziellen Abrechnung.

unidirektionales Anergienetz

Abbildung 1: Schema eines unidirektionalen Anergienetzes.

Für ein Anergienetz mit etlichen angeschlossenen Anlagen, die Wärme entnehmen oder einspeisen, bietet sich ein bidirektionales System (Abbildung 2) mit Warmleiter (mit z. B. 12 bis 18 °C) und Kaltleiter (mit z. B. 8 bis 16 °C) beispielsweise in einem Industriegebiet an. (Abweichend von Abbildung 2 kann auch ein System mit Ringleitungen realisiert werden.) Hier entnehmen die Wärmeverbraucher Wasser dem Warmleiter und geben es abgekühlt an den Kaltleiter ab, während Einspeiser (z. B. Kühlanlagen) Wasser dem Kaltleiter entnehmen und erwärmt in den Warmleiter einspeisen – jeweils mit separaten Pumpen. Dieser Ansatz bringt einen höheren exergetischen Nutzen, da die Wärme abgebenden Anlagen mit einer deutlich niedrigeren Temperatur versorgt werden können als die Wärme beziehenden. Wiederum muss die zentrale Anlage die Energiebilanz aufrechterhalten, um die Temperaturen von Warmleiter und Kaltleiter in den vorgesehenen Bereichen zu halten. Schließlich kann man in der Regel nicht garantieren, dass sich die dezentralen Einspeisungen und Entnahmen von Wärme jederzeit die Waage halten. Für diese Aufgabe ist beispielsweise eine Großwärmepumpe geeignet, die aufgrund der relativ geringen Temperaturdifferenz mit sehr hoher Leistungszahl arbeiten kann.

bidirektionales Anergienetz

Abbildung 2: Schema eines bidirektionalen Anergienetzes.

Es gibt auch Systeme mit mehr als zwei Leitern, die mehrere unterschiedliche Temperaturen bereitstellen, um Anlagen mit unterschiedlichen Idealtemperaturen gut bedienen zu können.

Es ist auch möglich, zunächst mehrere kleinere, autonom arbeitende Anergienetze aufzubauen und diese später miteinander zu vernetzen, um einen noch größeren Gesamtnutzen zu erzielen. Beispielsweise können manche Teilnetze zeitweilige Überschüsse an Wärme an andere Teilnetze abgeben, die in dieser Zeit Wärme benötigen. Auf diese Weise kann auch auf Nutzungsänderungen reagiert werden, beispielsweise auf den Anschluss vieler zusätzlicher Wärmeverbraucher in einem Teilnetz. Es ist also nicht unbedingt nötig, von Anfang an ein großes flächendeckendes Netz einzurichten; jedoch kann es sehr sinnvoll sein, eine eventuelle spätere Vernetzung von Anfang an in die Planung einzubeziehen.

Anergienetze mit Netzbetreiber

Wie herkömmliche Wärmenetze müssen auch Anergienetze nicht unbedingt von den Wärmeverbrauchern betrieben werden, sondern u. U. effizienter von einem separaten Netzbetreiber, der nicht Eigentümer der Liegenschaft ist und die Bereitstellung der Anergie an die einzelnen Verbraucher verkauft (zu Kosten pro Kilowattstunde, die weit unter denen für Wärme bei höheren Temperaturen liegt). Die dezentralen Wärmepumpen können entweder vom gleichen Netzbetreiber errichtet und betrieben werden oder aber von den dezentralen Verbrauchern. Es werden gewisse Betriebsbedingungen vereinbart, insbesondere betreffend die Temperaturen von Vorlauf und Rücklauf, den Volumenstrom und den erlaubten Druckverlust. Eine Grundsatzfrage ist auch, ob eine komplette Systemtrennung mithilfe von Wärmeübertragern im Interesse einer höheren Betriebssicherheit durchgeführt wird.

Mögliche Alternative: zentrale Wärmeerzeugung

Anergienetze bieten im Vergleich zu konventionellen Wärmeverteilnetzen einige massive Vorteile. Die Mehrkosten für dezentrale Wärmepumpen können durch Einsparungen an anderen Stellen und die oft wesentlich niedrigeren Betriebskosten leicht kompensiert werden.

Ein solches System steht im Prinzip in Konkurrenz zu einem konventionellen System mit zentraler Wärmeerzeugung und Verteilung dieser Wärme auf einem höheren Temperaturniveau. Die Vorteile und Nachteile dieser Ansätze müssen im konkreten Fall sinnvoll gegeneinander abgewogen werden. Beispielsweise ist ein Nachteil der zentralen Wärmeerzeugung, dass die Temperatur für den Verbraucher mit der höchsten Anforderungen an die Temperatur ausreichend sein muss, die anderen Verbraucher aber dann mit einer unnötig hohen Temperatur beliefert werden. Dies reduziert insbesondere bei der Wärmebereitstellung mit einer Wärmepumpe die mögliche Energieeffizienz. Außerdem sind die Energieverluste in den Verteilungsleitungen natürlich umso höher, je höher die Temperatur der Leitungen ist, und wärmegedämmte Leitungen sind erheblich teurer. Einspeisungen von Abwärme sind bei höherer Temperatur auch wesentlich schwerer realisierbar. Auf der anderen Seite sind die Investitionskosten für einen zentralen Wärmeerzeuger tendenziell geringer.

Es gibt auch Lösungen, die einen Kompromiss zwischen beiden Ansätzen darstellen. Man kann ein Wärmenetz mit einer relativ niedrigen Temperatur von 30 °C von einer zentralen Heizungswärmepumpe betreiben. Die Temperatur genügt dann nur für Heizzwecke, und die für Warmwasser benötigten höheren Temperaturen werden über zusätzliche dezentrale Wasser/Wasser-Wärmepumpen bereitgestellt. Mit diesem Ansatz erreicht man eine effiziente Wärmebereitstellung in Verbindung mit moderaten Wärmeverlusten im (wärmegedämmten) Verteilnetz.

Es gibt alte Wärmeverteilnetze mit ungenügender Wärmedämmung, die nachträglich in Niedertemperatur- oder Anergienetze umgewandelt werden können, wobei dezentrale Wärmepumpen einzubauen sind. Das Problem der Wärmeverluste in den Leitungen wird damit eliminiert, und die Leitungen bleiben langfristig nutzbar. Allerdings kann die transportierte Leistung wegen der meist geringeren Temperaturspreizung bei der Umstellung abnehmen; das kann bei knapp dimensionierten Netzen ein Problem sein.

Siehe auch: Anergie, Fernwärme, Wärmepumpe, Wärmepumpenheizung
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, Wärme und Kälte

Alles verstanden?


Frage: Aus welchen Gründen sind Anergienetze häufig wesentlich energieeffizienter und klimaschonender als konventionelle Wärmenetze?

(a) weil sie Wärme in der Regel ganz ohne fossile Energieträger erzeugen

(b) weil sie stark auf Wärmepumpen setzen, die Wärme mit wesentlich weniger Primärenergieaufwand bereitstellen können als z. B. Heizkessel

(c) weil kalte Leitungen kaum Wärme verlieren

(d) weil kaltes Wasser mit geringerem Energieaufwand gepumpt werden kann

(e) weil der Wärmeverbrauch geringer ist, wenn jeder Verbraucher mit nicht mehr als der benötigten Temperatur versorgt wird

(f) weil Wärmepumpen, die unterschiedliche Verbraucher nur mit der jeweils benötigten Temperatur versorgen, effizienter arbeiten

(g) weil dezentral anfallende Abwärme leichter verwertet werden kann


Siehe auch unser Energie-Quiz!

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