Zortström-Technologie für Multivalenzlösungen
Energetische Mehrfachnutzung
Der Einsatz biogener Energieträger wird den Transformationsprozess in der energetischen Gebäudebewirtschaftung weiter mitprägen. Speziell Holzbrennstoffe weisen im Vergleich zu fossilen Primärenergieträgern wie Öl und Gas eine positive CO2-Bilanz auf. Vielfach verliert sich deren ökologisches wie wirtschaftliches Potenzial jedoch in der Prozesskette von Energieerzeugung, -speicherung und -verteilung. Einen zentralen Einfluss auf die reale Effizienz eines energetischen Versorgungssystems hat die Qualität der Anlagenhydraulik. Sie gilt als entscheidendes Kriterium für einen optimierten Betrieb von Multivalenzlösungen.
Biomasse spielt beim Ausbau einer nachhaltigen Energieversorgung eine wichtige Rolle. Insbesondere Holzbestände aus Schad- und Schwachholz sowie Nebenprodukte der Holzverarbeitung bringen wesentliche Eigenschaften für eine weitgehend klimafreundliche Wärme- und Stromerzeugung mit: Sie sind regenerativ, CO2-neutral und in der Regel lokal verfügbar. Gleichzeitig ist der Entwicklungsstand effizienzoptimierter Umwandlungs- und Speichertechnologien heute weit fortgeschritten. Dennoch bleiben moderne Versorgungssysteme in der Betriebspraxis oft weit hinter ihrem Leistungspotenzial zurück. Dies gilt besonders für Lösungen, die einen komplementären Einsatz von unterschiedlichen regenerativen und konventionellen Energieerzeugern vorsehen, wie es etwa bei der Nutzung von Biomasse, Geo- oder Solarthermie für die Grundlastsicherung und einer Zuschaltung beispielsweise von Brennwertkesseln zur Spitzenlastabdeckung der Fall ist.
Konventionelle Systeme
Solche Multivalenzlösungen erfordern eine präzise Koordination unterschiedlicher Volumenströme auf Erzeuger- und Verbraucherseite, um störungsfrei und effizient arbeiten zu können. Bei konventionellen Systemen wie etwa Stangenverteilern mit drehzahlgeregelten Pumpen führen häufige und hohe Lastwechsel dazu, dass sich der Pumpenbetrieb einzelner Kreise gegenseitig negativ beeinflusst (gegenseitiges „Aufschaukeln“, siehe Infokasten) und der Energieverbrauch in Folge drastisch steigt.
Gleichzeitig sind die im Versorgungssystem geführten Volumenströme und ihre Rücklauftemperaturen oft zu hoch, sodass integrierte Erzeuger nicht effizient laufen können. Da sich die hieraus resultierenden Hydraulik-Probleme und die unzureichende Betriebsweise von Anlagenteilen nicht durch eine elektronische Regelung beheben lassen, müssen manuelle Eingriffe zur Stabilisierung der Versorgungssituation vorgenommen werden. Zusätzliche Personalaufwände und betriebsbedingte Effizienzeinbußen verursachen so mitunter einschneidende Mehrkosten.
Technologielösung für sensible Einsatzfelder
Besonders kritisch ist eine gestörte Energieversorgung dort, wo spezifische Temperaturniveaus (etwa bei der Raumklimatisierung und Warmwasserbereitstellung) zwingend einzuhaltend sind – beispielsweise in Krankenhäusern oder Pflegeeinrichtungen. In einem Altenwohnheim des Zentrums für Psychiatrie (ZfP) Südwürttemberg in Zwiefalten führten Hydraulikmängel in einem bestehenden Heizkreisverteiler mit Bypassmischer zu einer Unterversorgung der Heizkreise. „Dabei stehen Einrichtungen wie unsere in der Verantwortung, dem oft erhöhten Wärmebedarf unserer älteren oder gesundheitlich beeinträchtigten Patienten ausfallfrei und möglichst anforderungsgenau gerecht zu werden“, erläutert Ulrich Katz vom Technikteam. „Allein vor diesem Hintergrund erwies sich eine Revision unseres Heizsystems als unumgänglich“, so Katz. „Gleichzeitig stand die Überlegung im Raum, die Leistungskapazitäten mit Blick auf zukünftig weiter steigende Bedarfsgrößen neu auszurichten und dabei nachhaltige Lösungen für eine dezentrale Produktion von Wärme und Strom zu favorisieren.“
Die geplante Integration einer Hackschnitzelanlage mit einer Leistung von 900 kW sowie eines wärmegeführten Blockheizkraftwerks (150 kW) als Ergänzung zu Öl- und Gaskessel (mit je 2,9 MW Leistung) erforderte ein geeignetes Umsetzungskonzept. Dieses musste einerseits eine maximal effiziente Komplementär-Nutzung der verfügbaren konventionellen und regenerativen Energiequellen ermöglichen und dabei zugleich eine stabile Wärmeverteilung in der weitläufigen Gebäudestruktur mit einem abgelegenen Gebäudeteil (Fraterbau) gewährleistet. Die Planung des energetischen Modernisierungsprojekts übernahm das Ingenieurbüro Hankiewicz für Technische Gebäudeausrüstung mit Sitz in Pfronstetten. Für die Realisierung einer effizienzoptimierten und hydraulisch sicheren Multivalenzlösung im Bestand setzten die Fachplaner auf die Installation des Sammel-, Speicher- und Verteilzentrums Zortström von Zortea aus dem österreichischen Hohenems.
Entkopplung, Temperaturtrennung, energetische Mehrfachnutzung
In mehr als 5.100 nationalen und internationalen Großprojekten hat das Unternehmen seine patentierte Zortström-Technologie bereits erfolgreich eingesetzt, unter anderem in zahlreichen medizinischen Einrichtungen wie der Universitätsklink Maastricht, dem Medizinischen Campus Graz, der Kinderklink Moskau oder im neuen Royal Papworth Hospital in Cambridge. Allen Lösungen gemein ist ein einheitliches Funktionsprinzip, das drei Aufgaben in einem System vereint: die einer hydraulischen Weiche, eines Pufferspeichers und eines Verteilers. An den bedarfsgerecht ausgelegten Zortström, ein einfach zu installierender zylindrischer Behälter, lassen sich sämtliche Wärmeerzeuger sowie alle Verbraucherkreise eines Versorgungssystems unabhängig voneinander anschließen und mit optimaler Arbeitstemperatur (Erzeugerseite) bzw. individuell definierten Soll-Vorlauftemperaturen (Verbraucherseite) ansteuern. Dabei werden alle ankommenden und abgehenden Volumenströme komplett voneinander entkoppelt, sodass sich diese auch bei hohen Druck- und Temperaturdifferenzen ohne wechselseitige Beeinflussung bewegen lassen.
Im Speicherzentrum des Zortström können beliebig viele Temperaturstufen präzise voneinander getrennt vorgehalten werden. Dabei bleibt die Temperatur in jeder Stufe zu jeder Zeit stabil. Die Funktionsweise: So genannte Flowsplit-Einheiten trennen die Temperaturen exakt in jedem Betriebspunkt, während VortMix-Einheiten des Zortström die Verbraucher mit der definierten Temperatur versorgen. Das Innenleben der Anlage erzielt auf diese Weise den entscheidenden Vorteil.
Effizienterer Betrieb
„Das so einfache wie effektive Prinzip der hydraulischen Entkopplung und einer präzisen Temperaturtrennung ermöglicht es, Energie aus beliebig vielen Wärme- oder Kältequellen mit unterschiedlichen Leistungsklassen in einem gemeinsamen System zusammenzuführen und dabei einem bevorzugten Erzeuger Vorrang einzuräumen, ohne dass es zu hydraulischen Störungen kommt“, erklärt Christian Zortea-Soshko, Leiter Technik bei Zortea. „Die Stromeinsparungen, die sich dabei allein durch einen optimierten Pumpenbetrieb mit minimaler elektrischer Stromaufnahme erzielen lassen, sind beachtlich – sie können Untersuchungen des Fraunhofer Instituts Duisburg zufolge bei bis zu 80 % liegen.“
Darüber hinaus kann die eingespeiste Energie im geschlossenen Zortström-Kreislauf gleich mehrfach genutzt werden, etwa dann, wenn sich der Rücklauf aus einem Heizkreis mit hoher Temperatur als Vorlauf für Verbraucher mit niedrigerem Temperaturbedarf weiterverwenden lässt. Auch Abwärmekapazitäten, beispielsweise aus der Stromproduktion eines BKHW, sind auf diese Weise effektiv einsetzbar. „Die Zortström-Technologie dient so gesehen als Effizienzhebel beim Einsatz weit entwickelter Erzeugertechnologien und Verbundsysteme, da diese unter optimalen Betriebsbedingungen und mit maximalen Laufzeiten arbeiten können,“ fasst Zortea-Soshko zusammen. „Neben den damit einhergehenden wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen ist es aber vor allem die hohe Präzision und Stabilität der Wärme- und Kälteversorgung, die sich mittels Zortström-Zentrale in nahezu jedem Anwendungsbereich erzielen lassen. Auch und gerade in besonders bedarfssensiblen und energieintensiven Umgebungen.“
Fazit
Nach Installation von zwei Zortström-Anlagen am Standort des Altenwohnheims in Zwiefalten fällt auch hier die Betriebsbilanz für das neue Multivalenzsystem positiv aus. Ein dreistufiger Zortström mit einem Speichervolumen von 1.200 l sammelt die Volumenströme aller integrierten Erzeuger und versorgt einen Teil der Verbraucher während weitere Wärmekapazitäten über eine Fernleitung in den abgelegeneren Fraterbau geführt werden. Die abgezweigte Wärme wird nun wiederum über einen zweistufigen Zortström-Unterverteiler an die in diesem Gebäudeteil vorhandenen Abnahmepunkte weitergeleitet.
Der Rücklauf des Unterverteilers fließt in den Haupt-Zortström zurück und unterstützt durch seine tiefen Temperaturen einen effizienten Kesselbetrieb. „Seit der Modernisierung unserer Versorgungsanlage traten in unserem Haus keinerlei Hydraulikstörungen mehr auf. Darüber hinaus arbeiten die Pumpen mit kleinstmöglicher Umdrehung und damit spürbar kostensenkend,“ berichtet Ulrich Katz von der Technischen Abteilung des Altenwohnheims. „Und das bei gleichzeitiger Entlastung der Umwelt und einer komfortablen Wärmeversorgung für unsere Patienten. Ein Gewinn für alle Beteiligten.“
Dipl.-Ing. Martin Steinhart
Geschäftsführer Zortea Gebäudetechnik GmbH
Hohenems
Gestörter Pumpenbetrieb
Drehzahlgeregelte Pumpen werden auf Differenzdruck zwischen Vor- und Rücklauf eingestellt, um die berechnete Wassermenge zu befördern. Bei klassischen Systemen entsteht dadurch eine gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Versorgungskreise: Erhält eine kleine Pumpe am Verteiler nicht die erforderliche Wassermenge, so kann der benötigte Differenzdruck zwischen Vor- und Rücklauf nicht erreicht werden. Folglich reguliert sich die Pumpe von selbst und stellt sich so auf eine höhere Drehzahl ein. Entsprechend steigt auch die Aufnahme an elektrischem Strom. Alle weiteren Pumpen, unabhängig von ihrer jeweiligen Leistungsklasse, reagieren nun in gleicher Weise, um den notwendigen Differenzdruck aufzubauen. Das Ergebnis ist ein gegenseitiges Hochschaukeln der Pumpenarbeit, das mit einem signifikanten Anstieg des Energieverbrauchs einhergeht.
