Wärme & Kälte

Welche Themen behandeln Wärmetechnik & Kältetechnik?

Die Wärmetechnik im Gebäudebereich umfasst die Wärmeerzeugung, die Wärmespeicherung und die Wärmeverteilung für Komfortwärme sowie industrielle Prozesswärme. Die wichtigsten Energiequellen für die Wärmeerzeugung sind: Holz (Stückholz, Pellets, Hackschnitzel), Solarwärme, Abwärme, Fernwärme, Öl, Gas. Wärmepumpen nutzen als Wärmequelle Umgebungswärme, Grundwasser, See-/Flusswasser oder Erdwärme.

Die Kältetechnik befasst sich mit den Systemen zur Erzeugung von Kälte zur Kühlung von Räumen oder Waren sowie für Tiefkühl-Anwendungen. Kältemaschinen sind Wärmepumpen.
Je nach Leistungsbereich kommen zum Einsatz: Direktverdampfer, Kompakt-Kältemaschine, Kaltwassersatz, Trocken- oder Nassrückkühler. Die eingesetzten Kältemittel werden laufend weiterentwickelt.

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Die Teilnehmer des WIF 2021 in der Empa-Akademie in Dübendorf … (Bilder: zVg)

… wurden von Moderator Patrick Rohr begrüsst.

Rita Kobler, Fachspezialistin erneuerbare Energien BFE, betonte, dass sie die Dekarbonisierung in der Wärmeversorgung als weitgehend für möglich erachtet.

Patrick Rohr (li.) und Weishaupt-CEO Thomas Rusch (r.) mit den Referenten Michael Auer, Jörg Hoffmann, Rita Kobler, Dr. Peter Richner und Franz Brunner (v.li.).

Energiestrategie 2050: Wärmeversorgung im Wandel

Der WIF 2021 von Weishaupt war einer der ersten Anlässe, der nach einer langen Durststrecke ohne Veranstaltungen wieder stattfinden konnte. Am informativen Event, der diesmal an der Empa in Dübendorf durchgeführt und vom bekannten Fernsehmoderator Patrick Rohr moderiert wurde, war die Aufbruchstimmung und die Freude unter den rund 50 teilnehmenden Fachleuten über das Quäntchen wieder gewonnene Normalität deutlich zu spüren.

Die Schweiz hat sich international dazu verpflichtet, ihre Treibhausgasemissionen bis 2030 um mindestens 50% gegenüber 1990 zu reduzieren, bis 2050 wird eine vollständige Dekarbonisierung angestrebt. «Das erste Ziel ist nur mehr 9 Jahre und das andere 29 Jahre entfernt», betonte Moderator Patrick Rohr bei seiner Einführung am Weishaupt Ingenieur-Fachzirkel (WIF) 2021 an der Empa Dübendorf. «Das ist alles nicht mehr so fern von uns, daher müssen wir schnell vorwärtskommen.»

Für die Periode nach 2020 gelten für die Schweiz die Bedingungen des Pariser Klimaabkommens, das unser Land 2017 ratifiziert hat. Unabhängig vom Ausgang der letzten Abstimmung wird an den Zielen festgehalten. Was das für Planer und Ingenieure der Gebäudetechnik aber auch für die Verteilnetzbetreiber sowie die Hersteller von Wärmeerzeugern bedeutet, stand im Vordergrund der Veranstaltung an der Empa. Anhand von Praxisbeispielen wurden mögliche Lösungsansätze und damit verbundene Herausforderungen für die Gebäudetechnik und derer Planung aufgezeigt.

Schweiz besonders vom Klimawandel betroffen

Rita Kobler, Fachspezialistin erneuerbare Energien BFE, referierte über die Dekarbonisierung der Wärmeversorgung. Sie führte aus, dass die Schweiz besonders stark vom Klimawandel betroffen sei und dass das auch Kosten generiere: «Während es auf der Welt bisher im Durchschnitt 1 °C wärmer geworden ist, sind es bei uns ca. 2 °C mehr.» Eine Temperaturzunahme in der Schweiz sei weiterhin unausweichlich. Für die Schweiz bedeute es auf jeden Fall zu handeln, so Kobler: Der CO2-Ausstoss müsse mit verschiedenen Massnahmen gemindert werden. Sie zeigte den Aktionsplan des Bundes und Energieperspektiven auf. Die Dekarbonisierung in der Wärmeversorgung, die die Fachspezialistin für erneuerbare Energien als weitgehend für möglich erachtet, ist entscheidend voranzubringen. Für Niedertemperaturanwendungen hält Kobler Biogas und synthetische Gase allerdings als zu wertvoll und zu teuer.

Sollte der Treibhausgasausstoss weltweit weiterhin zunehmen, meinte Kobler, dürfte der Temperaturanstieg bis Ende Jahrhundert 3–5 °C betragen. Gelingt es hingegen, die Emissionen schnell massiv zu reduzieren, könnte er auf insgesamt unter 2 °C beschränkt werden. «Der Klimawandel ist da», so Kobler, «da können wir nicht drüber abstimmen wie bei anderen Themen.»

Beitrag von Power-to-X zur Energiewende

Das Energiesystem der Schweiz steht vor einem tiefgreifenden Umbau: Wir brauchen für 72% unserer Endenergie - fossile Energie und Kernkraft - neue Lösungen. Ziel muss es daher sein, diese Energie aus erneuerbaren Quellen und ohne CO2-Emissionen zu decken. Als Gastgeber und stellvertretender Direktor der Empa stellte Dr. Peter Richner den Beitrag von «Power-to-X» zur Energiewende und das Ungleichgewicht von Angebot und Nachfrage beim Strom in den Mittelpunkt seiner Ausführungen. Im Gebäudebereich hat sich zwar etwas bewegt. Die Elektrifizierung und unsere Mobilität verursachen aber immer mehr Strombedarf. «Ich wundere mich immer wieder, wenn die Leute sagen, die Schweiz sei gut unterwegs, und wir müssten nichts machen», so Richner. «Dem ist definitiv nicht so!» Das Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage, besonders durch die Mobilität, werde Probleme schaffen. Insbesondere fallen im Sommer grosse Überschüsse an, während im Winter der Bedarf aus heimischer Produktion nicht gedeckt werden kann.

Da die Nachbarländer der Schweiz ähnliche Entwicklungen durchmachen werden, ist der Import von erneuerbarem Strom im Winter kaum eine aussichtsreiche Option. Die Schweiz muss daher über kurz-, mittel- und langfristige Speichermöglichkeiten verfügen. Power-to-X bietet hier viel Potential und Chancen, sagte der stellvertretender Empa-Direktor. Darunter versteht man die Umwandlung von überschüssig vorhandener erneuerbarer Energie in Form von Strom in chemische Energieträger wie Wasserstoff, Methan, flüssige Kohlenwasserstoffe oder Ammoniak. Diese Chemikalien lassen sich im Vergleich zu Elektrizität einfach speichern und über grosse Distanzen transportieren. Entsprechende Logistikketten existieren bereits heute, z.B. für Flüssiggas. Mit Überschussstrom würde elektrolytisch Wasserstoff hergestellt und der könnte falls gewünscht mit CO2 zu synthetischem Methan oder längerkettigen Kohlenwasserstoffen umgesetzt werden. Dies könnte im Sommer in der Schweiz gemacht werden, und die chemischen Energieträger könnten im Winter zur Strom- und Wärmeproduktion eingesetzt werden. Alternativ könnte das auch an anderen Orten auf der Welt passieren, wo Wind und Sonne im Überfluss vorhanden sind, und die Energieträger könnten dann weitertransportiert werden.

«Natürlich sind diese Umwandlungsschritte nicht frei von Verlusten», erklärte Richner, «aber die Alternative wäre, dass der anfallende Strom mangels Nachfrage gar nicht genutzt werden könnte. So kann Power-to-X einen wichtigen Beitrag zur Gestaltung einer nachhaltigen Energieversorgung der Schweiz leisten.» Weiters beteuerte Richner, dass die Schweiz z.B. ein idealer Standort für Windanlagen wäre. Der Widerstand sei aber so gross, dass es sehr schwierig und langwierig sei, solche Projekte umzusetzen. «Unsere Ur-Grossväter haben in weiser Voraussicht die Wasserkraft genutzt und Stauseen gebaut. Sie sicherten damit unsere Energieversorgung. Heute wäre dieses Vorgehen unvorstellbar und unmöglich umzusetzen.»

Spitzen als grosse Herausforderung der Stromversorgung

Michael Auer, Leiter New Grid Solution EWZ, zeigte in seinem Vortrag «Elektrifizierung der Wärmeversorgung» auf, unter welchen Randbedingungen das Verteilnetz gebaut wird und dass die Spitzen die grosse Herausforderung der Stromversorgung sind. Bevölkerungswachstum, stark zunehmende Anzahl Elektrofahrzeuge und Wärmepumpen werden zu mehr Stromverbrauch führen. «Das EWZ sucht das volkswirtschaftliche Optimum und möchte der Bevölkerung ein sicheres, leistungsfähiges und effizientes Stromnetz zur Verfügung stellen», bekräftigte Auer. Das EWZ setzt auf Sensibilisierung, Monitoring, Tarifanreize und wenn nötig Steuerung.

Beeindruckende Beispiele

Jörg Hoffmann, Gesamtprojektleiter Wärmenetze EWL, berichtete über das eindrückliche Projekt «See Energie Luzern» und über das Potential der Seewassernutzung für ökologische Wärme und Kälte. Er erläuterte die Funktionsweise der See-Energie-Projekte in und um Luzern und gab wertvolle Einblicke in die technische Realisierung der Anlagen. Obwohl das neuste Projekt in Kriens, das während der Pandemie gebaut wurde, keine kostengünstige Lösung sei, geniesse es eine hohe Akzeptanz in der Bevölkerung, so Hoffmann.

Franz Brunner referierte als Vertriebsleiter von Weishaupt über Bivalente Wärmepumpen-Anlagen in der Gebäudesanierung von Einfamilienhäusern und erklärte, welche Faktoren dabei eine Rolle spielten. Er beleuchtete für das Fachpublikum die technischen Aspekte der Hybridlösung und legte den Finger auch auf die fehlende Bereitschaft vieler Bauherren, fürs Klima selbst etwas tiefer in die Tasche zu greifen. Hybride Lösungen bzw. die Nutzung der Vorteile des jeweiligen Heizsystems können, auch in Bezug auf die CO2-Reduktion, in vielen Fällen eine sinnvolle Übergangslösung sein, betonte Brunner.

Anstelle der geplanten Führung …

… durch die Empa gab es coronakonform zwei Kurzreferate zu Forschungs-Projekten der Empa. Der Wissenschaftler Andrew Bollinger berichtete zum Thema «Energiewende im Gebäudesektor» und zeigte, wie der Energieplaner dank Verknüpfung und Analyse von digitalen Daten in Zukunft arbeiten kann. Karin Köter stellte mit dem Move-Demonstrator die Mobilität der Zukunft vor und präsentierte ihr Projekt mit sehr viel Begeisterung, die sofort aufs Publikum übersprang.

Fragen ans Podium

In der Podiumsdiskussion war man sich nicht ganz einig, wie die Klimaprobleme zu lösen sind. Elektrizität wird auf jeden Fall eine wichtige Rolle spielen. Hier stellt der Gleichzeitigkeitsfaktor bei der E-Mobilität eine riesige Herausforderung dar. «Es wird nicht die einzig seligmachende Lösung geben», stellte Peter Richner fest, «davon bin ich überzeugt. Bei der Photovoltaik, die jetzt auch in Fassaden zu forcieren ist, bin ich zuversichtlicher als bei den Windrädern.»

Power-to-X, Geothermie, innovative Speichermöglichkeiten, Wind- und Wasserenergie und vieles mehr sind Bausteine, die es zu nützen gilt. Die Wege sind noch nicht klar, aber sicher wird es regulatorische Massnahmen und schnelle technologische Entwicklungen brauchen.

Der vollständige Beitrag ist in p+i 05/21 erschienen