Bestehendes Stadtquartier in Karlsruhe erhält neues Energiesystem mit Photovoltaik, Wärmepumpen und Nahwärme

Die fünf Mehrfamilienhäuser im Karlsruher Stadtteil Durchlach, erbaut 1963 und 1995 energetisch teilmodernisiert, werden bislang durch Erdgaskessel beheizt. Mit Unterstützung des Fraunhofer-Institut für Solar Energiesysteme (ISE) und des Instituts für Nachhaltige Technische Systeme INATECH der Universität Freiburg ersetzen der Eigentümer, die Volkswohnung GmbH, und die Stadtwerke Karlsruhe das alte System jetzt durch neues, klimafreundlicheres. Die CO2-Emissionen sollen damit halbiert werden.

So installieren die Partner auf den Dächern aller fünf Gebäude große Photovoltaik-Anlagen. Der erzeugte Strom wird unter anderem für zwei Großwärmepumpen genutzt, die zwei der Häuser mit Heizenergie versorgen. Bislang kommen Wärmepumpen in bestehenden Mehrfamilienhäusern nur selten zum Einsatz. Die Integration in solche Gebäude gilt als technisch anspruchsvoll, was Temperaturniveau, die Verfügbarkeit von Wärmequellen und die Versorgung mit erneuerbarem Strom angeht. Bei den eingesetzten Anlagen handelt es sich zum einen um eine Mehrquellen-Großwärmepumpe (Außenluft, Erdwärmesonden)  sowie zum anderen um eine Wärmepumpe mit photovoltaisch-thermischen Kollektoren als Wärmequelle.

Die drei verbleibenden Gebäude sind mit einer Nahwärmeleitung verbunden, in die zwei neue Erdgas-Blockheizkraftwerke Wärme einspeisen. Dem gesamten Versorgungskonzept liegt ein Quartiersansatz zugrunde – die Häuser sind sowohl durch den Austausch von Energie als auch durch eine gebäudeübergreifende Betriebsführung und Regelung miteinander vernetzt.

Künstliche Intelligenz für die Betriebsführung

Um das Konzept für das Versorgungssystem zu erstellen, hat das Fraunhofer ISE das Quartier mit allen Erzeugern und Verbrauchern simuliert. Dabei galt die Maßgabe, den Verbrauch von Erdgas und Netzstrom zu minimieren und gleichzeitig die für die Mieter erforderliche Wirtschaftlichkeit zu erzielen. Dies wird unter anderem durch ein intelligentes Energiemanagement erreicht: Die Wärmepumpen und die BHKWs werden so gesteuert, dass die Wärmepumpen bevorzugt mit selbst erzeugtem Solar- oder BHKW-Strom betrieben werden. Zur Betriebsoptimierung werden neuartige Fehlererkennungsalgorithmen entwickelt und erprobt, die auf Verfahren der künstlichen Intelligenz basieren.

„Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die intelligente Integration aller drei Technologien eine CO2-Einsparung von über 50 Prozent und zugleich eine hohe Wirtschaftlichkeit für den Betreiber erwarten lassen“, so Manuel Lämmle vom Fraunhofer ISE.

Das Institut INATECH der Uni Freiburg und das Fraunhofer ISE installieren im Rahmen des Projekts ein Monitoring-System und werten die erhobenen Messdaten über drei Betriebsjahre hinweg aus. Dies soll zum einen wissenschaftliche Fragestellungen zur energetischen Performance des Energiekonzepts beantworten. Zum anderen soll nach der Monitoring-Phase ein optimiertes Regelungskonzept verfügbar sein, das durch den Betreiber weitergeführt werden kann.

„Die genaue Messung und Dokumentation der Einsparungen, die durch das neue Energiekonzept erzielt werden, soll möglichst viele weitere Unternehmen der Wohnungswirtschaft bei der Entscheidung dafür unterstützen, ebenfalls in ambitionierte, klimafreundliche Versorgungskonzepte zu investieren«, erklärt Stefan Hess, Forschungsgruppenleiter am INATECH.

Das Demonstrations-Projekt gehört zum thematischen Projekt-Verbund „LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von sanierten Mehrfamilien-Bestandsgebäuden (LowEx im Bestand)“, das zur Markteinführung und -verbreitung solcher Konzepte für Bestandsgebäude beitragen soll. Der Begriff „LowEx“ bezeichnet Systeme, die mit möglichst niedrigem Temperaturniveau arbeiten, so dass Wärmepumpen eine sehr hohe Effizienz erreichen.