Solarwärme gleicht die Spitzenbelastung aus und erhöht die Wettbewerbsfähigkeit der Fernwärmeunternehmen

Die Produkte von Vexve und Savosolar sind Teil eines preisgekrönten Hybridenergiesystems, in dem Solarwärme dazu verwendet wird, die Verbrauchsschwankungen in der Bioenergieanlage zu verringern. Das Ziel des Pilotprojekts des Energieunternehmens in Süd-Savo, Etelä-Savon Energia, ist es, die Nutzung erneuerbarer Energien zu fördern, die Effizienz der Heizungsanlage zu verbessern und die preisliche Wettbewerbsfähigkeit von Fernwärme zu erhöhen.

Das Unternehmen Etelä-Savon Energia (ESE) aus Ostfinnland ist ein hocheffizienter Energieproduzent und Energielieferant.  Bereits  heute erfüllt ESE die Anforderungen der Europäischen Kommission  für den Anteil der erneuerbaren Energien  bei der Energieproduktion. ESE erzeugt Strom, Fernwärme und Prozessdampf für das Zentrum der Stadt Mikkeli sowie weitere Stadtteile und die lokale Industrie. Stets  ist man bei ESE auf der Suche nach neuen und modernen Möglichkeiten der Energieerzeugung.

Vor vier Jahren wurde die Gemeinde Ristiina mit ihren ca. 5.000 Einwohnern an die Region Mikkeli angeschlossen. Nachdem das Fernwärmewerk in Ristiina an ESE übertragen wurde, startete ESE mit der Modernisierung der Energieproduktion für die Region. Bis zu diesem Zeitpunkt heizten die meisten Haushalte in Ristiina ihre Häuser und das Verbrauchswasser noch mit Öl oder Strom. Seit der Fertigstellung des zwei Kilometer langen Fernwärmenetzes im Frühjahr 2017 werden im Stadtgebiet von Ristiina die Haushalte und öffentlichen Gebäude nun von zwei Hackschnitzelkraftwerken beheizt.

”Da wir die modernsten Materialien und Methoden beim Bau des neuen Fernwärmenetzes in Ristiina verwendet haben, ist der Wärmeverlust sehr klein.  Aus diesem Grunde eignete sich Ristiina auch ausgezeichnet als neues Pilotprojekt“, erzählt Auli Haapiainen-Liikanen, Manager für Fernwärme bei ESE.

Ziel des Pilotprojektes Ristiina ist es, die Belastung der örtlichen Bioenergieanlage während der Sommersaison durch Solarwärme zu reduzieren, vor allem während der Verbrauchsspitzen in der Region. Dabei soll die Nutzung von erneuerbaren Energien gefördert werden. Die Installation von Solarkollektoren begann daher sofort nach der Fertigstellung des Fernwärmenetzes, im Zusammenhang mit dem zweiten Holzhackschnitzelkraftwerk in Ristiina.

Umfangreiche Fernwärmeinfrastruktur unterstützt die Nutzung von Solarenergie

Blicken wir etwas weiter zurück, können wir feststellen, dass die Idee  Solarwärme einzusetzen ursprünglich bei Mitarbeitern der Stromproduktion des Unternehmens entstand, da sie bereits positive Erfahrungen mit der Nutzung von Solarenergie gesammelt hatten. Die Umsetzung der Idee startete, als ESE in einem Wettbewerb einen Arbeitstag unter Anleitung eines Forschers vom Technischen Forschungszentrum Finnlands (VTT) gewann.

Das Technologie-Forschungszentrum VTT hat umfangreich sowohl an Fernwärmenetze der Zukunft, als auch an der Nutzung von Hybridsystemen als Teil der Energieproduktion geforscht. Mit Unterstützung des VTT gelang es ESE, das dynamische Modell des Fernwärmenetzes mit Solar- und Bioenergie zum Pilotprojekt Ristiina zu entwickeln.

„Modellierung eignet sich sehr gut dabei, wenn man herausfinden möchte, wie viele unterschiedliche erneuerbare Energiequellen sich in das Fernwärmenetz integrieren lassen, wie die Anlage gefahren werden sollte und wie groß der Energiespeicher sein muss”, erklärt die VTT Forscherin Elina Hakkarainen.

Hakkarainen hat erkannt, dass Finnlands umfangreiche Fernwärmeinfrastruktur für die großtechnische Nutzung der Solarenergie ein großes Potenzial bietet. Hakkarainen  zufolge sind die finnischen Fernwärmeunternehmen, sowohl an der Netzwerkentwicklung als auch an der Entwicklung innovativer Lösungen aktiv beteiligt.

”Mit Hilfe von Hybrid-Energiesystemen kann der Brennstoffverbrauch des Heizwerks reduziert werden und dadurch auch die Emissionen. Pilotprojekte wie in Ristiina sind wichtig, um Erfahrungen für größere Anwendungen zu sammeln”, fügt Hakkarainen hinzu.

Neben der Modellierung wurden weitere Erfahrungen aus Dänemark, wo der Einsatz von großen Solarkollektoranlagen in den letzten Jahren stark zugenommen hat, ausgewertet. Während einer Reise nach Dänemark besuchte die Gruppe, bestehend aus Vertretern von ESE, Sundial, VTT und Vexve, die von Savosolar an die Fernwärmeanlagen in Løgumkloster und Jelling Varmeværk gelieferte Solarkollektoranlagen. Diese Heizwerke, die aus Mehrfachquellen Energie produzieren, verfügen jeweils über mehr als 15.000 m² solarthermische Kollektorfelder. Die so gewonnene Solarwärme deckt bereits jetzt etwa 20% der jährlichen Fernwärmenachfrage. Doch mit Systemerweiterungen und Solarenergiespeicherung sollen zukünftig 50- 60% erreicht werden.

Das Pilotprojekt Ristiina stützt sich auf finnisches Know-how

ESE baut auf lokale Lieferanten, sowohl beim Bezug von Brennstoffen als auch bei allen anderen Prozessen. Aus diesem Grunde war es ESE auch so wichtig, finnisches Know-how und qualitativ hochwertige Produkte in dem Projekt Ristiina einzusetzen.

”Wir wünschen uns langlebige Netzwerke und Heizlösungen, folglich mussten die eingesetzten Produkte, mit dieser Philosophie in Einklang stehen”, so Auli Haapiainen-Liikanen, Fernwärme-Manager bei ESE.

Das Solarwärme-Pilotsystem wurde von Savosolar, ebenfalls in Mikkeli ansässig, geliefert. Die Kollektoren von Savosolar werden überall auf der Welt eingesetzt und die Flachkollektoren des Unternehmens zählen zu den weltweit  leistungsfähigsten (Solar-Keymark-Zertifikat).

”Unsere finnischen Solarkollektoren sind 10-20% effizienter als die meisten Konkurrenzprodukte auf dem Markt, das vor allem wegen unserer Absorber- und Beschichtungstechnologie. Mit der von uns eingesetzten Technologie können wir eine bessere Nutzung der Sonnenstrahlung erzielen und dank der Absorberstruktur wird die Wärmeenergie effizienter auf die Wärmeträgerflüssigkeit übertragen”, sagt Miika Kilgast, verantwortlicher Verkaufsmanager bei Savosolars  in Finnland.

Bild: Auli Haapiainen-Liikanen, Manager für Fernwärme bei Etelä-Savon Energia, und  Verkaufsleiter Marko Nyrhinen von Vexve betrachten die Solarthermieanlage in Ristiina.

Die Solarkollektoren sind zwar das sichtbarste Element der Solarthermieanlage in Ristiina, aber die Anlage als Ganzes besteht aus vielen Einzelteilen. ESE war es wichtig, dass auch die kleinsten und verborgenen Teile des Systems während der Planung exakt definiert werden.

„Dies ist etwas, dass wir erst vor kurzem verstanden haben. Wenn wir zum Beispiel nicht genau spezifizieren, welche Produkte im Inneren der Fernwärmeelemente verwendet werden, besteht das Risiko, dass  minderwertige Komponenten in das System eingebaut werden. Wir wollen Produkte verwenden, die wir kennen und denen wir vertrauen”, sagt Haapiainen-Liikanen.

Einer der Gründe Ventile von Vexve für das Pilotprojekt zu wählen, waren die guten Erfahrung, die ESE bereits mit Produkten von Vexve gemacht hatte, wie auch Vexves eigene, erstklassige Qualitätskontrolle. Für das Projekt wurden die von Vexve hergestellten Stahlkugelhähne der Marke Naval und Vexve Strangregulierventile ausgewählt. Diese werden in der Solarthermieanlage während des gesamten Lebenszyklus in Einsatz sein.

Der Speichertank ermöglicht die Nutzung von Solarwärme bei Verbrauchsspitzen

Die Installation des solarthermischen Kollektorsystems in Ristiina wurde vom Solarthermie-Spezialisten Sundial Finnland komplett vorgenommen. Das Solarkollektorfeld von 120 m², bestehend aus acht Solarkollektoren, ging mit dem Heizwerk in dem Schulzentrum von Ristiina im Frühjahr  2017 in Betrieb. Jarno Kuokkanen, CEO von Sundial, geht davon aus, dass das solarthermische Kollektorsystem in Ristiina bis zu 30 Jahre lang betrieben werden kann.

”Ein Solarkollektorsystem, wie das in Ristiina, hat an sich nur minimale Wartungs- und Betriebskosten. Die Investitionskosten des Systems entstehen vor allem ganz am Anfang, bei der Beschaffung”, so Kuokkanen zu den positiven Aspekten der Sonnenwärme.

Die Installation der Kollektoren in Ristiina war außergewöhnlich, da auf dem Felsuntergrund Betonsockel benötigt wurden. In der Regel werden Solarkollektoren auf Stahlpfählen, die in den Boden getrieben werden, installiert.

Bild: Die Solarthermieanlage passt sehr gut zu der sich ebenfalls auf dem Gelände befindenden Bioenergieanlage. Auf der linken Seite der Speichertank und auf der rechten Seite das Kontrollzentrum der Solarthermieanlage.

Die gesammelte Sonnenenergie wird über eine Wärmeträgerflüssigkeit durch eine isolierte Rohrleitung zur Bioenergieanlage des  Schulzentrums übertragen, in dem sich ein 3000-Liter-Speichertank, eine Pumpeinheit und das Steuerzentrum befinden. Das kompakte System passte gut auf das Werksgelände, ein separates Gebäude wurde nicht benötigt.

Dank des Speichertanks kann Solarwärme an das Fernwärmenetz dann abgeben werden, wenn diese benötigt wird. Insbesondere soll der Energiebedarf des nahegelegenen Pflegeheims und Gesundheitszentrums in den Spitzenstunden während der Sommersaison abgedeckt werden. Dadurch kann das  Heizwerk mit einer besseren Effizienz und Auslastung betrieben werden. Nach den Berechnungen reicht die Energie während der Sommermonate über den Eigenbedarf hinaus.

”Im Sommer entsteht durch die Sonneneinstrahlung viel mehr Energie, als für die Warmwasserheizung während der Stoßzeiten erforderlich ist. Der Vorteil des Speichers ist, dass mit dessen Hilfe Wärme in das Netz abgegeben werden kann. Das Volumen des Fernwärmenetzes in Ristiina beträgt das 3,5-fache des Speichertanks. Das Fernwärmenetz kann als eine Art Akku verwendet werden”, erläutert Haapiainen-Liikanen.

Inspirierendes Hybrid-Energiesystem sorgt für Erfolge

Das Hybrid-Energiesystem in Ristiina ist zwar erst seit sechs Monaten im Einsatz, hat jedoch bereits eine Auszeichnung auf europäischer Ebene, beim Celsius-Stadt Wettbewerb in der Kategorie „Inspirierende Lösungen”, erhalten.

Auch wenn die Optimierung des Systems noch im Gange ist, sind bereits jetzt erfreuliche Ergebnisse zu verzeichnen. Der Wechsel von Heizöl zum Hybrid-Energiesystem wird ca. 290.000 Liter Öl im ersten Jahr einsparen. Die  Solarwärme beträgt dabei bis zu 8%. Die Einsparungen bei den Brennstoffkosten tragen zur Wettbewerbsfähigkeit der Fernwärmepreise bei und reduzieren zusätzlich noch Treibhausgasemissionen, die durch Ölheizungen verursacht werden.

In Zukunft soll das solarthermische Kollektorsystem in Ristiina automatisiert betrieben werden. Darüber hinaus wären auf dem Gelände des Heizwerks des Schulzentrums Platz für bis zu 50% mehr Solarkollektoren. Auli Haapiainen-Liikanen schließt es nicht aus, dass in der Region Mikkeli die Nutzung von Solarwärme noch breiter zum Einsatz kommen wird.

”Die Installation von großen solarthermischen Kollektoranlagen im Stadtzentrum bringt ganz besondere Herausforderungen mit sich, aber ich sehe hier die modernen Energieunternehmen in der Pflicht, nach neuen und innovativen Lösungen zu suchen und eine nachhaltige Entwicklung zu unterstützen”, sagt Haapiainen-Liikanen abschließend.

 

Die Nutzung der Solarthermie in Europa

Zu den Vorteilen der Solarenergie zählen neben der Umweltfreundlichkeit, eine einfache Bedienung, die Geräuschlosigkeit (zum Beispiel im Vergleich zu Windkraft) und die Möglichkeit, an alle Heizungsarten angebunden zu werden. Trotzdem wird Solarenergie in Europa bisher kaum beim Heizen eingesetzt. Im Jahr 2012 wurde nur 1% der Sonnenkollektoren an Fernwärmesysteme angeschlossen. In vielen europäischen Ländern ist die Nutzung der Sonnenwärme noch zum großen Teil von staatlichen Subventionen und Regelungen abhängig. Im Verhältnis zur Bevölkerungszahl sind Österreich, Griechenland, Deutschland und Dänemark die aktivsten Nutzer von Solarwärme in Europa.

Vor allem in Süd- und Mitteleuropa kann Solarwärme das ganze Jahr über genutzt werden, aber auch in den nördlichsten Regionen kann Solarwärme mit Hilfe von guten Lösungen eingesetzt werden. Zum Beispiel liegt die jährliche Gesamtsonneneinstrahlung im südlichen und westlichen Finnland genauso hoch, wie in Nord-Deutschland. In Nordeuropa liegen jedoch die Spitzen der Solarenergieproduktion eher in der Sommersaison.

Am besten lässt sich die Solarwärme in Hybrid-Energiesystemen nutzen, in denen verschiedene Wärmequellen im Zusammenspiel Energie erzeugen. Die Nutzung von Solarwärme in der Fernwärmeproduktion ist profitabel, da diese von Frühjahr bis Herbst eine teurere Wärmeerzeugungsmethoden ersetzen kann.

Sources: Quellen: SDHVTTFinsolar

Weitere Informationen

Regional Sales Director, Nordics and North America

Maria Kalli
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Manager für Fernwärme

Auli Haapiainen-Liikanen
+358 44 735 3819
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