Gut zu wissen

Landwirt Stephan Ostendarp aus ­Vreden an der niederländischen Grenze betreibt seit 2009 ein lokales Wärmenetz, das seinen eigenen Betrieb und den seines Nachbarn mit Wärme versorgt. Dieses 400 m lange Nahwärmenetz sichert ihm den KWK-Bonus nach EEG 2009 für die Nutzung der Abwärme seines Biogas-Bhkw mit 170 kWel.
„Damals war immer genug Wärme da. Die Effizienz spielte nur eine untergeordnete Rolle, weil das Wärmenetz nicht Verkaufs­erlös-optimiert sein musste. Das ist jetzt vollkommen anders“, sagt der Betreiber der Biogasanlage. Nachdem die Stadt Vreden bei ihm angefragt hatte, ob er eine Schule mit Wärme versorgen könnte, baute Stephan Ostendarp eine 1,4 km lange Nahwärme­leitung hinzu. Seine Biogasanlage hatte er bereits im Jahr 2015 um ein Bhkw mit 250 kWel erweitert. Insofern hatte er noch Wärme übrig.
Nun spielte die Effizienz auf einmal eine deutlich größere Rolle. Auch musste Stephan Ostendarp sicher sein, dass er immer — besonders im Winter — ausreichend Wärme liefern kann. Deshalb installierte er zusätzlich eine 175-kW-Hackschnitzelheizung als Spitzenlastkessel und einen 45 m³ großen Pufferspeicher.

Wie dimensionieren und managen?

Eine große Herausforderung war die Dimensionierung der Rohrleitungen und der Wärme­­netzpumpe. Denn die Schule wurde in den 1970er Jahren gebaut. Entsprechend veraltet ist deren Heizungssystem mit insgesamt fünfzehn, teilweise nicht geregelten Heizkreisen. Ein Lastprofil über den Wärme­verbrauch der Schule gab es nicht. Die einzige, bekannte Kenngröße zum Wärmebedarf der Schule war der Jahresgasverbrauch. Spannend waren somit die Fragen: Wie viel Heizungswasser muss gepumpt werden? Mit welchen Rücklauftemperaturen kommt es zurück? Zudem wollte Stephan Ostendarp die Wärmenetzpumpe nicht ständig mit Volllast bei 4 kW Leistungsaufnahme laufen lassen. Das wäre uneffektiv und würde unnötig viel Strom verbrauchen. Also musste eine Regelung für die Pumpe, am liebsten eine vollautomatische, her.
Doch damit allein war es nicht getan. Denn schließlich sollte die Hackschnitzelheizung nicht noch kurz vor Schulschluss anspringen, um den erkalteten Pufferspeicher zu erhitzen. Die Folge davon wäre nämlich, dass womöglich der Notkühler der beiden Biogas-Bhkw anspringt, weil diese ihre Abwärme nicht an einen schon vollständig erhitzten Pufferspeicher abgeben können. Und umgekehrt sollte die Trocknungsanlage des Betriebs nicht laufen, wenn gleichzeitig die Schule Wärme aus dem Pufferspeicher zieht. Wichtig war auch, dass immer genug Wärme im Puffer ist, falls mal ein Bhkw ausfällt. Denn ohne den Puffer würde die Reaktionszeit der Hackschnitzelheizung unter Umständen für eine sichere Wärmeversorgung der Schule nicht ausreichen.
Am Anfang nach der Inbetriebnahme des neuen Wärmenetzes regelte Stephan Ostendarp die Wärmenetzpumpe zunächst von Hand. Aber ihm war klar: „Da ist noch Einsparpotenzial drin.“ Auch die Steuerung für die Hackschnitzelheizung war noch nicht optimal. Sie heizte mit einem Standardprogramm den Puffer, sobald darin die untere Wasserschicht kalt geworden war. Auf der Suche nach einer intelligenten Pumpen- und Heizungssteuerung stieß er auf die Firma CDE Systems.

Selbstlernender Trendrechner

CDE entwickelte für das Nahwärmenetz von Stephan Ostendarp schließlich eine maßgeschneiderte Lösung. Das Ergebnis war ein selbstlernendes System für das Wärmemanagement mit vollautomatischer Pumpensteuerung. Die Steuerung von CDE regelt nun die Pumpendrehzahl abhängig vom Differenzdruck zwischen dem Vorlauf und dem Rücklauf am Ende der 1,4 km langen Wärme­leitung zur Schule.
Zudem bindet das Lastmanagement von CDE die Hackschnitzelheizung und die Trocknung (sowie bei Bedarf auch die Heizungen an Fermenter und Nachgärer) mit ein. Es regelt die Wärmeerzeugung und die Trocknung als Überschussverbraucher. Das heißt, im Automatikbetrieb springt die Hackschnitzel­heizung an, wenn die noch zur Verfügung stehende Wärmekapazität im Pufferspeicher eine bestimmte Versorgungsdauer in Minuten unterschreitet. Hierbei berücksichtigt die Steuerung nicht allein die Wassertemperaturen in den verschiedenen Schichten des Puffers — wie sonst bei Heizkesselsteuerungen üblich —, sondern auch die Außentemperatur sowie den erwarteten Netzlastgang der nächsten Stunden.
Den zukünftigen Verbrauch ermittelt der selbstlernende Trendrechner, den CDE gemeinsam mit der solarcomplex AG ent­wickelt hat. Er weiß z. B. wie viel Wärme die Schule am Vortag wann verbraucht hat, oder wie hoch der Verbrauch am letzten Sonntag war. Zusätzlich zu den Verbrauchsmesswerten berücksichtigt der Trendrechner für die Prognose des Wärmelastgangs auch die standortbezogenen Wetterdaten von vier umliegenden Wetterstationen des Deutschen Wetterdienstes.

Puffer als Stellgröße

Die voraussichtliche Versorgungsdauer des Puffers ist demnach die Stellgröße dafür, wann der Hackschnitzelheizkessel Wärme liefern und wann die Trocknung Wärme abnehmen soll. „Im Trendrechner von CDE kann ich die Parameter für die Steuerung vorgeben. Unser Hackschnitzelkessel beginnt bei Unterschreiten von 100 Minuten Restversorgungsdauer an zu heizen und schaltet sich oberhalb von 120 Minuten Versorgungsdauer wieder ab. Die Trocknung springt bei über 500 Minuten Versorgungsdauer an und geht bei unter 450 Minuten wieder aus“, erklärt Stephan Ostendarp.
„Die Behälterheizungen haben bei uns Vorrang. Daher stellen wir sie in der Regel auf Handbetrieb. Denn vor allem im Winter dürfen sie sich nicht automatisch abschalten, weil meine Heizungsleitungen nicht frostgeschützt sind“, sagt der Anlagenbetreiber. „Im Sommerbetrieb ist das anders. Da schalten wir nachts das kleine Bhkw aus. Dadurch ist der Pufferspeicher morgens manchmal kalt. Damit dann nicht die Hackschnitzelheizung anspringt, schaltet die Automatik die Behälterheizung für ein paar Stunden aus.“

Web-basierte Datenauswertung

Um die vorausschauende Wärmenetzsteue­rung betreiben zu können, sammelt CDE die Messwerte von allen Sensoren, die im Wärmenetz von Stephan Ostendarp installiert sind. Das System dokumentiert also alle Vor- und Rücklauftemperaturen, die Schichttemperaturen im Pufferspeicher, die abgegebenen Wärmemengen beider Bhkw und der Hackschnitzelheizung, die aufgenommenen Wärmemengen der Abnehmer sowie die Heizungswasser-Durchflussmengen.
Für die Kommunikation zwischen der Wärmenetzsteuerung am Betrieb Ostendarp und den Wärmeabnehmern am Standort Vreden ist in der Übergabestation der Schule eine sogenannte M-Box installiert. Sie sammelt die Daten der Wärmemengenzähler vor Ort und sendet die Datenpakete über eine Netzwerkverbindung an die Steuerung — in diesem Fall konnte CDE dafür den Internet­anschluss der Schule nutzen. Alternativ wäre auch ein Versand der Daten über ein in der M-Box integriertes LTE-Modem möglich (oder bei kürzeren Strecken über ein Ethernet-Netzwerkkabel).
Für die langfristige Datenanalyse speichert CDE die Daten aus der zentralen Steuerung von Stephan Ostendarps Nahwärmenetz auf einem Cloud-Server. Die Cloud-Nutzung kostet ihn 72,50 Euro im Jahr (50 Euro pro Anlagensteuerung plus 2,50 Euro pro Wärmemengenzähler, Preise ohne MwSt.). Alternativ wäre auch eine Speicherung der Daten auf einem lokalen PC-Server vor Ort möglich.
Über einen eigenen Portalzugang kann Stephan Ostendarp sich alle Messwerte grafisch aufbereitet ansehen. „Das ist gut. So kann ich rückwirkend Ursachenforschung betreiben, wenn ein unvorhergesehenes Ereignis aufgetreten ist“, sagt der Nahwärmenetzbetreiber. „Zum Beispiel, wenn der Notkühler doch mal anspringt, könnte ich mir die Rücklauftemperatur des großen Bhkw ansehen, um herauszufinden warum.“

Was uns sonst noch auffiel

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Tabellen und Grafiken

CDE Systems

Fazit

Fazit

Wer Wärmekunden beliefert, muss die Wärme zuverlässig bereitstellen können und auf einen effizienten Betrieb achten. Bei Stephan Ostendarp kombiniert die intelligente Wärmenetzsteuerung von CDE Systems dafür die Wärmeerzeugung von zwei Biogas-­Bhkw mit insgesamt 420 kWel, einem 45-m³-­Pufferspeicher und einer 175-kW-­Hack­schnitzel­heizung. Hierzu sammelt das web-­basierte Wärmemanagement von CDE Messwerte auf einem Server und wertet sie unter Einbeziehung der standortbezogenen Wetterprognose aus.
Die Wärmenetzsteuerung auf dem Betrieb Ostendarp arbeitet erst seit März 2020. Dennoch ist sich der Nahwärmenetzbetreiber sicher, dass er mit dieser Steuerungstechnik nicht nur eine Grundlastversorgung, sondern sogar eine Vollversorgung der Schule anbieten kann.