Wärme-Kraft-Kopplung
Brückentechnologie für Gebäudewärme und Strom

Die dezentrale Stromerzeugung mittels Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) hat grosses Zukunftspotenzial. Neben Strom aus Solarenergie und Wasserkraft kann WKK einen verlässlichen und effizienten Beitrag zur Energiewende leisten.

Die Wärme-Kraft-Kopplungsanlage (WKK) ist eine hocheffiziente Heizung, die den Verbraucher gleichzeitig mit Strom und Wärme versorgt. Man spricht auch von Strom erzeugenden Heizungen. Diese können beispielsweise in den Wintermonaten einen wichtigen Beitrag zur Versorgungssicherheit und zur Stabilität des Stromnetzes leisten. Die bei der Stromerzeugung anfallende Wärme kann zur Bereitstellung von Heizwasser und Warmwasser sowie in der Industrie und im Gewerbe für Dampf verschiedener Temperaturstufen oder Trocknungswärme verwendet werden. Da WKK-Anlagen bei den Verbrauchern installiert sind (also dezentral), sind sie effizienter als thermische (zentrale) Grosskraftwerke, bei denen die Abwärme nur teilweise genutzt werden kann. Ihr Wirkungsgrad beträgt 90%. Von den 90% der resultierenden Energie ist ein Drittel Strom. Aufgrund dieses hohen Wirkungsgrades lassen sich durch WKK fossile Brennstoffe einsparen. Gleichzeitig ist damit eine deutliche Verringerung der Schadstoff- und CO2-Emissionen verbunden. Dies gilt insbesondere durch die steigende Anreicherung von Erdgas mit Biogas.

Photovoltaik im Sommer – WKK im Winter
Bis 2035 soll der Atomstrom durch erneuerbare Energien ersetzt werden. Im Winterhalbjahr ist mit Unterdeckung in der Stromversorgung mit in der Schweiz erzeugter Elektrizität zu rechnen. Die in den letzten Jahren erfolgten Weiterentwicklungen der PV-Technologien lassen den Schluss zu, dass zukünftig Systemwirkungsgrade von 30 % zu erwarten sind. Daher ist anzunehmen, dass PV-Module überschüssigen Strom im Sommer erzeugen. Die dezentrale Stromerzeugung mit Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen wird somit zukünftig eine wichtige Rolle spielen. Im Gegensatz zur Photovoltaik und Windkraft können WKK-Anlagen im Winter Strom und Wärme bedarfsgerecht und direkt beim Verbraucher erzeugen.

Visualisierung zukünftiger Energieverbrauch und Mix

Vorteile einer Strategie mit WKK und PV:

  • Die Sicherheit der Wärme- und Stromversorgung wird erhöht.
  • Das Gasnetz übernimmt auch die Funktion eines Stromspeichers, was in Anbetracht der bereits vorhandenen Infrastruktur sehr wirtschaftlich ist.
  • Die Installation einer PV-Anlage in einem WKK-versorgten Haus ist nicht zwingend. Denn die Kombination von PV und WKK ergibt sich in jedem Fall aufgrund der Netzkonvergenz.
  • Da jedes Gebäude ein anderes Energiebedarfsprofil (Strom / Wärme) hat, ist auch in den Wintermonaten eine zuverlässige Abdeckung gewährleistet.

Option «Elektrische Welle»
Mit einer mit Erdgas / Biogas versorgten WKK-Anlage ergibt sich eine interessante Option: Die als elektrische Welle bezeichnete Ergänzung mit einer Wärmepumpe. Dadurch lassen sich mit einem Einsatz von 100 % Erdgas / Biogas 180 % Wärme erzeugen. Die Wärmeerzeugung mit drei Modulen erlaubt die Zuschaltung der Aggregate je nach Wärmebedarf. Notwendig für diesen Betrieb ist eine zentrale Steuerung, die alle drei Module bewirtschaftet. Im Gegensatz zur mechanischen Welle ist die elektrische «Brücke» völlig wartungsfrei und bei einem relativ unwahrscheinlichen Ausfall eines Aggregates sind die beiden anderen voll einsatzfähig.

WKK ist die einzige Technologie, welche Gas-, Strom- und Wärmeversorgung verbindet und sichert. Die dezentral eingesetzten WKK-Anlagen produzieren hocheffizient Strom und Wärme. Kommt noch Power-to-Gas hinzu wird die Verbindung auch zwischen der Strom- zur Gasversorgung geschlossen und die Koexistenz der Infrastrukturanlagen für Gas, Strom und Wärme kann flexibel genutzt werden.

Dies wird insbesondere im Zusammenhang mit dem Zubau von Solar- und Windenergie erforderlich sein. WKK-Anlagen produzieren bedarfsgerecht Strom, auch wenn die Sonne nicht scheint, der Wind nicht bläst und im Winter ohnehin zu wenig Strom produziert wird. WKK-Anlagen können innert Minuten hochgefahren werden und die fehlende Leistung und Energie liefern.

Die Kombination von WKK und EWP ermöglichen eine effiziente Energienutzung

Die Gasverbund Mittelland AG (GVM) ist eine überregionale Erdgasversorgerin der Schweiz. Sie beschafft und transportiert Erdgas im Sinn einer Bündelung zu bestmöglichen Konditionen im Auftrag der ihr angeschlossenen 15 Lokalversorger und ihrer Direktkunden im Mittelland sowie in der Nordwestschweiz. Dazu betreibt die GVM einen eigenes Hochdrucknetz mit Übergabestationen.

Gasverbund Mittelland AG
Untertalweg 32
4144 Arlesheim
Tel 061 706 33 00
info@gvm-ag.ch
www.gvm-ag.ch

Wärme des Grundwassers nutzen

Zur Reduzierung des CO2-Ausstosses werden heute zum Heizen vermehrt alternative Energiequellen genutzt. Eine dieser Quellen ist die Wärme, die im Grundwasser steckt. Mittels Wärmepumpen kann diese Energie genutzt werden. Das entnommene Grundwasser wird dabei abgekühlt und wieder in den Grundwasserleiter eingespiesen. Im Limmattal sind heute bereits über 50 solcher Anlagen in Betrieb. Bei der Planung neuer Anlagen muss deshalb abgeklärt werden, ob sich bestehende und geplante Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen. Hier kommt als Instrument die Simulation zum Einsatz. Mittels Computersimulationen werden der unsichtbare Grundwasserstrom und die bestehenden Anlagen nachgebildet. Anhand von Messungen bei Pegelbohrungen wird überprüft, ob die Simulation die Wirklichkeit auch wirklich abbildet. Erst dann wird die neu geplante Anlage in die Simulation eingebaut und die Auswirkungen der Anlage werden prognostiziert. Mit einer Simulation kann überprüft werden, ob die neue Anlage den gesetzlichen Vorschriften entspricht. Zudem können die Brunnenstandorte und die ausnützbare Temperaturdifferenz optimiert werden, was zu einer wirtschaftlicheren Anlage führt.

Simulierte Kältefahne im Grundwasser am Ende der Heizperiode
Die Simultec AG führt im Auftrag von Bauherren, Geologiebüros, Energieplanern und Behörden Simulationen des Wärmetransports im Grundwasser durch. Nach Aussagen von Dr. Spring, Geschäftsführer der Simultec AG, werden die Auswirkungen der Anlagen auf das Grundwasser häufig unterschätzt. Insbesondere bei Anlagen, welche das Grundwasser im Sommer auch noch für die Kühlung nutzen, stösst man oft an Grenzen. Da das Grundwasser im städtischen Raum häufig bereits auf 13 Grad erwärmt ist, steht für die Nutzung nur noch etwa ein Grad zur Verfügung.


SIMULTEC AG
Hardturmstrasse 261
8005 Zürich
Tel 044 563 86 20
info@simultec.ch
www.simultec.ch

Wohnhaus für die nächste Generation: Sonnenpark PLUS in Wetzikon ZH

Im Juni ist in Wetzikon ZH ein Mehrfamilienhaus bezogen worden, welches mit seiner Energieeffizienz und seinem Wohnklima neue Massstäbe setzt. Die Solarstromanlage (PV) auf dem Dach, in der Fassade und an den Balkongeländern produziert innerhalb eines Jahres mehr Energie, als im Alltag gebraucht wird. Doch auch die verbauten Rohstoffe sind einzigartig.

Architektur und Sonne
Das Mehrfamilienhaus bildet einen massiven Körper, südseitig mit Photovoltaikelementen, gegen Norden mit einer vorvergrauten Holzschalung. Grosse Fensteröffnungen schaffen die Verbindung zwischen Innenraum und Balkonen. Diese erstrecken sich über die gesamte Länge des Hauses. Sie beschatten im Sommer, wenn die Sonne steil steht, die grossen Fenster und schützen das Haus so vor Überhitzung. Bei flachem Sonnenstand im Herbst und im Winter kann deren Energie nicht nur technisch, sondern auch ganz direkt genutzt werden. Insgesamt gibt es drei unterschiedliche Ausrichtungen, die mit einer angebauten (Flachdach Ost-West) und einer integrierten (West- und Südfassade und Balkongeländer Süd) Photovoltaikanlage ausgestattet wurden. Bei Neubauten ist es naheliegend, die Solarstrommodule in die Gebäudehülle zu integrieren. Dies ist nicht nur eine ästhetisch ansprechende Lösung, sondern auch eine finanziell tragfähige Alternative zu anderen Fassadensystemen.

FelixZusammenschluss zum Eigenverbrauch (ZEV)
Neu können Mehrfamilienhäuser oder ganze Areale mit mehreren Häusern über unser Energiemanagement-System (EMS) optimiert werden. Sie können beliebig viele Produzenten und Verbraucher wie PV-Anlagen, Wärmepumpen, Boiler, Haushaltgeräte, Elektromobile-Ladestationen oder stationäre Akkus einbinden. Mit den intelligenten Regelalgorithmen können mehrere hundert Verbraucher über ein ganzes Areal auf diese Weise steuern, sodass der Eigenverbrauch optimiert wird und die Lasten gleichmässig verteilt werden. Zudem ist ein vollständiges Monitoring aller Energieströme sowie die Abrechnung der einzelnen Wohnungen über geeichte Zähler möglich. Über das System (EMS) wird das komplette Stromnetz eines ganzen Areals geregelt. Gegenüber dem Elektrizitätswerk existiert nur noch ein bidirektionaler Zähler. Alle internen Energieströme werden durch das System (EMS) gesteuert, gemessen und abgerechnet. Das System eignet sich dank der flexiblen Erweiterbarkeit für beliebig komplexe und gros se Überbauungen. Selbstverständlich können auch einzelne Mehrfamilienhäuser separat geregelt werden.

Eigenstrom anstatt gekauften Strom
Durch einen Eigenverbrauchsmanager (EMS) können die Wärmepumpe, das Warmwasser, die Lüftung, die Waschmaschine oder auch der Tumbler dann betrieben werden, wenn genügend Sonnenenergie zur Verfügung steht. Die Energie kann so besonders effizient und spar sam eingesetzt werden. Wird über den Tag mehr Energie produziert als benötigt, kann diese dank einer Batterie-Farm (60 kWh) gespeichert und in der Nacht oder bei anhaltend schlechtem Wetter, anstelle von externem Strom, wieder bezogen werden. Bisher (seit Juni 2018) konnte auf diese Weise ganz auf gekauften Strom verzichtet werden. Das Plusenergiehaus erzeugt nach Modellrechnungen rund 68 000 Kilowattstunden Strom pro Jahr, während bei einem Durchschnittsverbrauch von den Bewohnern etwa 65 000 Kilowattstunden benötigt werden.

FelixRegenwasseranlage und Recyclingbaustoffe
für gesundes Raumklima Neben dem Energiemanagement ist auch die Regenwasseranlage zukunftsweisend. Zur Spülung der WCs und für alle Aussenwasseranschlüsse wird Regenwasser verwendet, so dass wertvolles Frischwasser eingespart werden kann. Die ausgewählten Baustoffe sorgen zusätzlich für ein gesundes Wohnklima. Auf den inneren Seiten der Gebäudehülle, welche hauptsächlich aus den Recyclingdämmstoffen bestehen, wurden mehr als 24 Tonnen Lehm verbaut. Dank der Verwendung dieser Baustoffe kann der Feuchtigkeitshaushalt optimal reguliert werden, was insbesondere während der eher trockenen Wintermonate im Zusammenspiel mit der CO2-gesteuerten Komfortlüftung den Wohnkomfort deutlich verbessert.

Fossilfreie Mobilität dank eines Elektroautos
Zu den weiteren Vorzügen für die Bewohner zählt ein E-Golf von VW, welcher von der arento AG zur Verfügung gestellt und ebenfalls mit dem produzierten Solarstrom aufgeladen wird. Das Elektroauto kann bequem über eine App gebucht werden und eignet sich besonders für Kurzfahrten in die nähere Umgebung. Auch eine möglichst fossilfreie Mobilität gehört zur Philosophie der arento AG.


Felix & Co. AG
Geschäftsbereich WINDGATE
Landstrasse 70
5412 Gebenstorf
Tel 056 223 28 10
Fax 056 223 53 14
info@felix.swiss
www.windgate.ch

alpha innotec alira LWAV – die Neuste mit Invertertechnik

Die neuen, aussen aufgestellten alphainnotec Luft-/Wasser-Wärmepumpen alira LWAV sind die effiziente Lösung zum Heizen, Kühlen und Bereiten von Brauchwarmwasser. Durch neuste Invertertechnik zeichnen sich die Geräte nicht nur durch einen besonders energiesparenden Betrieb aus, sondern bieten mit einem breiten Leistungsspektrum optimale Planungssicherheit für den Planer und Installateur.

Hohe Flexibilität bei der Installation
Vielfältiges Zubehör und entsprechende Kombinationsmöglichkeiten schaffen eine enorme Flexibilität bei minimalstem Installationsaufwand. Die Invertertechnik passt sich perfekt dem benötigten Bedarf des Gebäudes an und sichert somit zu jeder Zeit die richtige Heiz- oder Kühlleistung. Ob Neubau oder Sanierung: Mit der alira LWAV bietet alpha innotec ein vielseitiges System, das durch die Aussenaufstellung zusätzlich Platz im Inneren schafft.

AIT Richtig kombiniert – das vielfältige Zubehör der alira LWAV.

Überzeugende Leistungsdaten
Die alira LWAV sind in den beiden Leistungsstufen 6.1 und 9.5 kW lieferbar (A-7/ W35, EN 14511). Beide Modelle bieten hohe SCOP-Werte und erreichen die Energieeffizienzklasse A++. Die tiefe maximale Schallleistung von 48 dB(A) nach EN 12102 kann dank Nachtmodus nochmals merklich gesenkt werden. Eine leistungsstarke Kühlfunktion ist serienmässig integriert.


alpha innotec c/o ait Schweiz AG
Industriepark
6246 Altishofen
Tel 058 252 20 00
Fax 058 252 20 01
info@alpha-innotec.ch
www.alpha-innotec.ch

Interview mit Herrn Christian Gmünder von der Firma Simultec AG

Welches sind die Hauptgeschäftsfelder der Simultec AG?
Wie der Name sagt, sind Simulationen unser Spezialgebiet. Thematisch befassen sich die meisten unserer Simulationen mit der Grundwasserströmung. Wir simulieren jedoch auch die Schadstoffausbreitung in der Luft oder Wärmeeinträge in Gewässern. Daneben beraten wir unsere Kunden bei Fragen im Zusammenhang mit Altlasten und anderen Umweltrisiken.

Für wen machen Simulationen Sinn?
Simulationen helfen immer dann, wenn eine Entscheidung gefällt werden muss und der Entscheidungsgegenstand nicht real untersucht werden kann. Dies betrifft einerseits versteckte Prozesse wie zum Beispiel die Grundwasserströmung, andererseits seltene Ereignisse wie Störfälle oder Hochwasserkatastrophen. Mit Hilfe von Simulationen können auch zukünftige Zustände prognostiziert werden. Dies hilft den Entscheidungsträgern, geplante Projekte im Voraus zu beurteilen und allenfalls zu optimieren.

Welche Simulationen bieten Sie im Energiebereich an?
Aktuell sind besonders Simulationen von Grundwasserwärmenutzungen gefragt. Grundwasser kann nachhaltig für die Heizung oder Kühlung von Gebäuden eingesetzt werden. Mit Hilfe von Brunnen wird Grundwasser aus dem Untergrund entnommen, über Wärmepumpen wird ihm Wärme entzogen, anschliessend wird es wieder in den Untergrund geleitet. Mit dem Grundwasserstrom gelangt immer wieder neues Wasser zum Entnahmebrunnen. Mit Hilfe von Simulationen können wir die Machbarkeit von Grundwasserwärmenutzungen ermitteln und aufzeigen, ob die gesetzlichen Rahmenbedingungen eingehalten werden. Für die Erlangung der benötigten Konzession sind in vielen Kantonen Simulationen erforderlich.

Oft kommen bei der Altlastensanierung grosse Kosten auf die Eigentümer und Bauleute zu. Wie können Sie hier zur Seite stehen?
Im Bereich «Altlasten» bieten wir von günstigen historischen Erkundungen bis zur Planung von Sanierungen ein breites Spektrum an Dienstleistungen an. Nicht jede Belastung ist auch eine Altlast. Vielfach geht von belasteten Ablagerungen keine Gefahr für das Grundwasser aus und sie dürfen im Boden belassen werden. Bei Bauvorhaben geht es dann vielfach darum, nach einer Erkundung Lösungen zu suchen, bei der möglichst wenig belastetes Material in Deponien abgeführt werden muss. Simulationen kommen dann ins Spiel, wenn es sich um Altlasten handelt, das heisst, wenn von der Belastung eine Gefahr für das Grundwasser ausgeht. Da Sanierungsprojekte sehr kostspielig sind, lohnt sich eine Optimierung über Grundwassersimulationen.

Im Bereich «Informatik» verknüpfen Sie Ihr Know-how aus Hydrologie, Geotechnik, Altlastenbearbeitung, Umweltmanagement oder Strömungsdynamik. Wie können Sie hier dem Kunden einen Mehrwert generieren?
Informatik ist heute Bestandteil vieler Projekte. In den meisten müssen grosse Datenmengen verarbeitet werden und es sind mehrere Firmen daran beteiligt. Deshalb lohnt es sich häufig, für die Datenverwaltung Datenbanken einzusetzen und den Datenaustausch unter den Projektbeteiligten durch Internet-Projekträume zu ermöglichen. Reine Informatikprojekte bearbeiten wir selten, meistens stehen diese im Zusammenhang mit einem Fachgebiet, von dem wir viel verstehen. Dadurch können wir Fehlentwicklungen vermeiden und eine auf den Kunden zugeschnittene Software realisieren.

An welchen Projekten arbeiten Sie nun?
Im Moment arbeiten wir bei verschiedenen Hochwasserschutzprojekten mit, zum Beispiel am Alpenrhein und bei verschiedenen Rückhalteprojekten entlang der Donau.

Haben Sie ein spezielles Projekt, welches Sie an dieser Stelle gerne vorstellen möchten?
Wir haben für den Kanton Zürich ein Grundwasser-Wärmetransportmodell für das ganze Limmattal aufgebaut. Das Modell wird bei der Bewilligung von Konzessionsgesuchen für Grundwasserwärmenutzungen eingesetzt. Die zuständige Sachbearbeiterin des AWEL kann in ihrem Internetbrowser die geplanten Nutzungen auf einer Karte eintragen. Auf dem Server, der bei uns im Büro steht, wird danach automatisch der Wärmetransport in der Umgebung des Projekts berechnet und überprüft, ob die gesetzlichen Anforderungen erfüllt sind. Das Projekt ist ein gutes Beispiel für die Verknüpfung von Hydrogeologie, Simulationen und Informatik. Inzwischen steht das Instrument auch für das Thurtal und den Grundwasserleiter von Gossau zur Verfügung.

Wir bedanken uns für das Interview.
Nadja Leemann

Das Simultec-Team

SIMULTEC AG
Hardturmstrasse 261
8005 Zürich
Tel 044 563 86 20
info@simultec.ch
www.simultec.ch