Im Rahmen des Projekts H-DisNet entwickelt ein internationales Konsortium von Wissenschaftlern eine Alternative zu konventionellen Wärmeversorgungsnetzwerken. Daran beteiligt ist auch eine Gruppe der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften. Anfang des kommenden Jahres nimmt sie ihre Pilotanlage im Zürcher Weinland in Betrieb.

Heiz- und Kühlprozesse spielen eine zentrale Rolle im Gesamtenergieverbrauch der Schweiz. 2014 wurden, gemäss Angaben des Bundesamtes für Energie (BFE), 825‘770 Terajoule Energie in unserem Land verbraucht. Bei einer aufgewendeten Bruttoenergie von 308 TWh entsprach dies einer Grösse von rund 229 TWh. Zu rund zwei Drittel stammt diese Energie aus nicht erneuerbaren Quellen wie zum Beispiel Erdöl und Erdgas. Je einen Drittel der in der Schweiz verwendeten Energie fällt auf die Bereiche Haushalt, Wirtschaft und Verkehr. Bei den Haushalten werden gegen 80% der Energie fürs Heizen und für warmes Wasser eingesetzt.

H-DisNet als Multifunktionales Wärme- respektive Kühlnetzwerk.

Auch im Bereich der Wirtschaft wird viel Energie fürs Wärmen und Kühlen von Prozessen, respektive fürs Heizen aufgewendet. Insgesamt geht man davon aus, dass rund die Hälfte der in der Schweiz verwendeten Energie für Wärme- und Kühlprozesse aufgewendet wird. Damit bewegen wir uns im europäischen Durchschnitt. Dass dabei in der jüngeren Vergangenheit den Technologien, die hinter Wärme- und Kühlprozessen stehen vermehrt ein besonderes Augenmerk zugemessen wurde, ist verständlich. Im Hinblick auf einen effizienteren und nachhaltigeren Umgang mit Energie in Zukunft spielen dann auch neue technische Ansätze im Bereich von Heiz- und Kühlsystemen eine wichtige Rolle.

Das Projekt H-DisNet ist ein Beispiel dafür. Thomas Bergmann, Dozent für thermische Speichersysteme an der Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften (ZHAW) und Leiter der am Projekt in Winterthur beteiligten Gruppe meint dazu: „Der grösste Teil des Energieverbrauchs in unseren Breitengraden wird auch in Zukunft die Wärmeenergie ausmachen. Hier bedarf es heute zusätzlicher Konzepte. H-DisNet könnte eine Möglichkeit sein neue Wege zu gehen.“

Zugeschnittene Heizlösungen in Zukunft

H-DisNet steht für „Intelligent Hybrid thermo-chemical District Network“. Erarbeitet wird die für dieses Hybridnetzwerk verwendete Technik von einem Konsortium internationaler Wissenschaftler aus Deutschland, Belgien, Grossbritannien und der Schweiz in Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie. Seit Juni 2016 ist das Projekt H-DisNet Teil des europäischen Programms Horizon 2020 und wird in diesem Zusammenhang mit Mitteln der Europäischen Union gefördert. „Einerseits macht die Arbeit in einem grossen internationalen Forschungsverbund sehr Spass und andererseits ermöglicht sie es uns sinnvolle und praktische technische Lösungen für Gebiete mit unterschiedlichen Rahmenbedingungen zu entwickeln und zu testen.“ Damit greift das Projekt H-DisNet seiner Zeit voraus. „Die Zukunft der Wärmeversorgung wird vielfältiger sein. Für wirkliche Effizienz müssen Lösungen dann vermehrt auf die spezifischen Anwendungsfelder zugeschnitten sein.“ Das macht nicht nur aus energiepolitischer Sicht Sinn, sondern auch aus wirtschaftlicher. „In Zeiten von tiefen Energiepreisen möchten wir mit unserer Technik aufzeigen, dass damit nicht nur Energie eingespart werden kann, sondern, dass sie auch das Potential hat, dem Benutzer einen handfesten wirtschaftlichen Vorteil zu bringen.“

Die Verfahren: der Absorptionsprozess und der Desorptionsprozess.

Aufgeteilt ist das Projekt H-DisNet in drei Entwicklungsphasen, die paralell zu einander ablaufen und miteinander interagieren. So entwickeln die einzelnen Partner die Komponenten für unterschiedliche Demonstrationsanlagen in der Schweiz, Deutschland und Grossbritannien und testen diese vor Ort. Daneben werden virtuell Simulations- und Kontrollmechanismen erstellt, die die Grundlagen für die Weiterentwicklung des Projekts bilden. In einem dritten Schritt wird ein Strategieplan und ein Wirtschaftsmodell entwickelt, um H-DisNet optimal am entsprechenden Einsatzort zu implementieren. „Im Moment sind wir dabei, die optimalen technischen Voraussetzungen für die unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten zu entwickeln.“

Thermochemisches Netzwerk und Salzlösung

Anders als bei konventionellen thermischen Wärmeversorgungsnetzen oder Niedertemperaturnetzwerken, bei denen die Wärmeenergie selbst transportiert wird, steckt hinter H-DisNet die Idee lediglich ein chemisches Potential zu transportieren, das dann vor Ort zu einem spezifischen Gebrauch, also zum Heizen, respektive zum Kühlen „aktiviert“ werden kann. Das Trägermedium bildet dabei eine Salzlösung, die in einem geschlossenen Netzwerk zirkuliert und die an die jeweiligen Verwendungsorte transportiert werden kann.

„Durch die Nutzung von Temperaturunterschieden verwandeln wir im H-DisNet ein thermisches Potential in ein chemisches. So kann beispielsweise ein ungenutzter Temperaturunterschied zwischen der Abwärme eines Blockheizkraftwerkes (Abgastemperatur ca. 500°C) und der Wärmenutzung (Heizwasservorlauftemperatur ca. 90°C) durch einen Aufkonzentrierungsprozess in einer Salzlösung gespeichert werden.“ Dieses Potenzial lässt sich dann an einem anderen Ort und zu einer anderen Zeit wieder freisetzen, wobei durch die Aufnahme von Feuchtigkeit in einem Absorptionsprozess aus der Umgebungsenergie Nutzwärme oder -kälte erzeugt werden kann.

Im Vergleich zu konventionellen Wärmeversorgungsnetzwerken weist die Idee von H-DisNet unterschiedliche Vorteile auf.  Zum einen fallen bei diesem System keine Wärmeverluste beim Transport der Energie an und demnach müssen auch die Leitungen des Netzwerkes nicht aufwändig isoliert werden. Zum anderen wird es damit möglich wirtschaftlich noch ungenutzte Abwärmequellen im Netz an einem beliebigen anderen Ort desselben zu nutzen. So könnte im H-DisNet beispielsweise mit der Abwärme einer Fabrik ein Schwimmbad effizient beheizt werden, oder heisse, trockene Luft für Trocknungsprozesse in der Industrie generiert werden.

H-DisNet als Wärmespeicher

Das Neue daran: Absorptionsprozesse und Desorptionsprozesse finden an unterschiedlichen Orten statt.

Einen dritten und vielleicht den zentralen Vorteil von H-DisNet sieht Bergmann in der guten Speicherfähigkeit der Salzlösung selbst. „Die Lösung lässt sich beliebig lange und ohne grossen Aufwand speichern und verändert ihr Potential dabei nicht. Gerade für die Langzeitspeicherung von Energie könnte dies sehr interessant sein.“ Was Bergmann hier anspricht ist eine der zentralen Herausforderungen der Energiedebatte von heute und morgen: die Möglichkeit der Langzeitspeicherung von Energie aus alternativen Energiequellen. „Wenn wir nicht mehr auf die in fossilen Energieträgern gespeicherte Sonnenenergie zurückgreifen möchten, steht uns die Energie dann nicht mehr zur Verfügung, wenn wir sie benötigen. Im Bereich der Wärmeenergie könnte man solche Thermochemischen Netzwerke wie H-DisNet als Speicher nutzen und so einen grossen Teil des heutigen Wärmebedarfs durch regenerative Energiequellen abdecken.“

Demonstrationsprojekt im Zürcher Weinland  

Eine der Demonstrationsanlagen von H-DisNet befindet sich auf einem Landwirtschaftsbetrieb in Marthalen im Zürcher Weinland und wird Anfang des kommenden Jahres in Betrieb genommen. „In diesem Schritt geht es darum unser Konzept zu erproben und es auf seine Funktion und Wirtschaftlichkeit zu testen.“ Konkret möchten Bergmann und sein Team an dem mit Biogas betriebenen Blockheizkraftwerk die Aufkonzentrierung verschiedener Salzlösungen mit unterschiedlichen Prozessen demonstrieren.

Die Nutzung des in der Salzlösung gespeicherten Potentials soll am Gewächshaus eines auf die Zucht von Orchideen spezialisierten Unternehmens in Dübendorf demonstriert werden. „Hier möchten wir eine für das Pflanzenwachstum optimale Lufttemperatur und -feuchte einstellen. Neben dem erheblichen Einsparungspotential an Energie zur Beheizung und Kühlung soll diese Art der Luftkonditionierung auch die Qualität der Pflanzenproduktion verbessern.“ Bis jetzt ist H-DisNet noch nicht Realität. Aber auf jeden Fall stellt es einem vielversprechenden Ansatz dar, wie ein Teil der Wärmeversorgung in Zukunft bei uns aussehen könnte.

Remo Boretti