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Eisbären speichern Wärmeenergie ganz automatisch und in großen Mengen. Mit der richtigen Technik behalten auch Großwärmespeicher thermische Energie automatisch in ihrem Inneren.

Bild: Cupasol; iStock, JohnPitcher

Vollautomatisierte Großwärmespeicher Wärme speichern ohne nachdenken

13.06.2017

Wie eine nachhaltige und effiziente Wärmeversorgung von Haushalten aussehen kann, demonstriert Horb am Neckar: Ein vollautomatisierter Großwärmespeicher versorgt dort 300 Haushalte mit Wärme. Zu dessen Wirtschaftlichkeit trug insbesondere die Installationstechnik bei.

Ganz Deutschland sucht nachhaltige Energielösungen. Einige Vorreiter wie Horb am Neckar haben ihren Weg bereits gefunden: Hier profitieren schon heute 300 Haushalte von einem Energiekonzept, das auf einem Großwärmespeicher basiert. Seit 2015 trotzt das Nahwärmenetz damit energetisch dem Klima­wandel. Die Stadtwerke betreiben ein Biomassekraftwerk, das neben Strom auch Wärme liefert.

Für mehr Effizienz und eine bestmögliche Wärmenutzung ergänzt ein Großwärmespeicher von Cupasol seit 2015 den Kreislauf und stabilisiert den Betrieb des Wärmesystems. Zwei Holzvergaser mit einer thermischen Gesamtleistung von 550 kW liefern ganzjährig Strom. Etwa ein Drittel der Holz­energie steht dabei in Form von Strom und der Rest als Wärme zur Verfügung. Über die Jahreszeiten gesehen gibt es vor allem im Frühjahr und Herbst Schwankungen im Wärmenetz. Im Sommer dagegen wird die Wärme ohne Speicher nutzlos an die Umgebung abgegeben.

Die Stadtwerke Horb schließen die jahreszeitlich bedingte Versorgungslücke zwischen nachhaltiger Erzeugung und Nutzung mittels Langzeit-Wärmespeicherung. Diese harmonisiert den zeitlichen Versatz zwischen Wärmeangebot und -nachfrage. Damit lässt sich die Energie ohne oft kurzfristig benötigte Wärmeerzeuger ganzjährig im Wärmenetz verbrauchen. Das spart Betriebskosten, denn anfallende Heizkosten in Kommunen oder Unternehmen sind im Regelfall höher als ihre Stromkosten.

Wasser und Wärme im Duett

Der Wärmespeicher selbst hat eine überirdische zylindrische Bauform, die sich aus Kosten-Nutzen-Gesichtspunkten als beste Geometrie erwiesen hat. Der Behälter fasst bis zu 3 000 m3 Wasser, ein leicht verfügbares Medium mit hoher Wärmekapazität. Effiziente Wärmetauscher erhitzen das Wasser auf bis zu 95 °C, ohne das angeschlossene Rohrsystem und die Hydraulik zu belasten. Verschiedene Wärmequellen speisen den Speicher und Wärmeenergie wird dann eingelagert, wenn zum Zeitpunkt ihrer Entstehung keine Verwendung ansteht. Der Speicher verfügt dafür über eine Wärmekapazität von 140 MWh. Eine separate innere Dichtschicht und der Wegfall von Wanddurchführungen verleihen dem geschlossenen System eine dauerhafte Dichtheit.

Großwärmespeicher müssen langlebig sein, eine hohe Energieeffizienz und konstante Versorgungssicherheit bieten, damit die im Sommer überschüssig produzierte Wärme den Anwendern problemlos auch im Herbst und Winter zur Verfügung steht – zusätzlich zu der in der kalten Jahreszeit selbst erzeugten Energie. Eine eigens auf die Integration zwischen BHKW und Nahwärmenetz entwickelte Hydraulik stellt einen Nutzungsgrad von durchschnittlich 70 Prozent sicher.

Neben dem langlebigen Wärmespeicher und der Hydraulik bildet die Steuerungstechnik das dritte Kompetenzfeld von Cupasol: Im externen, spritzwassergeschützten Technikcontainer befindet sich die Steuerung, die flexibel auf die ständig schwankenden Temperaturen und Volumenströme in Nahwärmenetzen reagiert und einen zuverlässigen Anlagenbetrieb sicherstellt. In diesem Container wird das Wasser mit Umwälzpumpen durch die Wärmetauscher transportiert. Aus Sicherheitsgründen sind diese Komponenten zweifach vorhanden. Über eine zentrale Steuerung werden alle Temperaturen und Energieströme gemessen, geregelt und visualisiert.

Es ist wichtig für den Anbieter von Großwärmespeichern, alle Kompetenzen architektonisch und technologisch in eigener Hand zu haben, da nur so ein wirtschaftliche Kostenstruktur zu Stande kommt. Jede Lösung im Wärmebereich muss mit den niedrigen Preisen für fossile Energieträger konkurrieren können. Darin liegt die größte Herausforderung. Steuerungstechnisch hat man sich deshalb für die Installationstechnik mit AS-Interface von IFM entschieden. Damit verantwortet Cupasol die Elektrifizierung der Projekte selbst.

Installationstechnisch bietet AS-i alle Vorzüge, um die modulare Erweiterbarkeit für Wärmespeicherkonzepte zu halten, ohne Verdrahtungspläne separat aufzustellen oder Schaltschrankperipherien zu verändern. Je nach Bedarf lässt sich daran ein Slave anhängen, ohne dass Fachpersonal für Veränderungen des Systems nötig wäre. Sämtliche technischen Komponenten sind leicht erreichbar angebracht – beispielsweise an den Stahlringen am Wärmespeicher oder am stabilen 400-m2-Leichtbaudeckel.

Installation leicht gemacht

Ein Beispiel für die Vorteile von AS-i ist die in den Projekten unterschiedliche Bestückung der Anlage mit Piezo-Wärmestromsensoren. Diese liefern sämtliche Informationen über die Dämmungswerte am Deckel und Boden. Um den Wärmeverlust transparent zu halten, muss je nach Geometrie und Anlagenarchitektur unterschieden werden, wo Sensoren zu installieren sind. AS-Interface hilft dabei, die Integration schnell und unkompliziert vorzunehmen. Mit der SPS-Entwicklungsumgebung Codesys lassen sich in der Industrieautomation installierte Sensoren und Aktoren schnell konfigurieren oder ein PID-Regler neu einstellen. Revisions- und Wartungsarbeiten sind damit leicht durchzuführen.

Gerade in der Energiebrache ist es entscheidend, die Dienstleistungen zu einem Projekt selbst zu verantworten. Da die Technologiekammer einer Anlage mit Pumpen, Wärmetauscher und Steuerung immer leistungsskaliert konzipiert ist, ergeben sich Vorteile bei öffentlichen Projektausschreibungen. Während traditionelle Baufirmen oft Dienstleistungen anderer Unternehmen brauchen, ist das gesamte Energiekonzept bei Cupasol die Summe aus den Eigenkompetenzen.

Oft sehen die Ansprechpartner die Strategie der Wärmespeicherung und -verteilung als Engineering-Blackbox. Im Fokus steht die Wirtschaftlichkeit des Systems und nicht die technische Umsetzung. Deshalb zählt für Cupasol das funktionssichere Engineering der Anlage in Kombination mit der einfachen Installation mit Hilfe von AS-Interface.

Brücke zu Industrie 4.0

Aus Sicht des Komponenten- und Systemlieferanten IFM ist es eine weitere Herausforderung, dieses branchenspezifische Steuerungskonzept innovativ aufzuwerten. Die Durchgängigkeit der Daten – angefangen bei der Anschaltung der Sensoren mit digitalen IO-Link als Eingangssignal für AS-i bis in die Welt von Lösungen wie Manufacturing Execution Systems und Enterprise Resource Planning, lässt noch Potenzial für Vernetzung und Fernwartung offen.

Der Schritt zu Industrie 4.0 gelingt mit IFMs System Solution Apps. Mit dieser Anwendung lassen sich die Prozessdaten unterschiedlichster Sensoren auf gängige Feldbussysteme übertragen und ihre Parameter auf einfache Weise zugänglich machen. Im Fokus dieser Anwendung steht eine Smart SPS, die AS-i Master und SPS in einem Gerät vereint. Sie findet ihren Einsatz als AS-i Gateway, Maschinen­steuerung, Visualisierungssystem, Protokollkonverter und als Daten-Logger sowie intelligente Auswerteeinheit.

Als Klammer fungiert das Softwarepaket Linerecorder Smartobserver für die Produktionsoptimierung und Qualitätssicherung. Das Oberflächen-Design spiegelt eine moderne und bedienerfreundliche Zuordnung der unterschiedlichen Module wider, so dass sich die Software bei Cupasol für Datenaufzeichnung, Fernwartung und Alarmierung bei Über- oder Unterschreitung von Grenzwerten eignet. Das Quick-Setup-Menü und die intuitive Bedienung vereinfachen Einrichtung und Diagnose. Das Web-Interface ermöglicht zudem vollständigen Fernzugriff.

Bildergalerie

  • Technikcontainer neben dem Wärmespeicher: Wärmetauscher und Steuerung sind unfern des Wärmespeichers platziert.

    Bild: Cupasol

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