CO2-Verminderung in St. Ottilien

Zuletzt aktualisiert am 05.02.2017

Messung und Konzepterstellung zur Verminderung der CO2-Emissionen

1  Abstract

Es ist geplant, im Klosterdorf St. Ottilien den Energieverbrauch zu halbieren und die CO2-Emissionen um rd. 80 % zu reduzieren. Das Dorf soll dabei weitest möglich saniert werden, wobei bei der gebäudetypischen Sanierung der Denkmalschutz und die Substanzerhaltung im Vordergrund stehen. Mit der energetischen Sanierung des Klosterdorfs soll auch die Energieversorgung von Schule, Exerzitienhaus und Kloster erneuert werden.

In diesem Projekt sollen anhand des Vergleichs zwischen Ist-Zustand und des Zustands nach Umsetzung der ersten Einsparmaßnahmen die Erfolge quantifiziert und weitere Potenziale identifiziert werden. Weiter soll die zur Umsetzung der weiterführenden Maßnahmen wie Nahwärmenetz und Hackschnitzelkessel notwendige Datenbasis erhoben werden. Abschließend werden die Ergebnisse aufbereitet und dem potenziellen Contractor, welcher den Umbau der Heizzentralen, die Erstellung des Nahwärmenetzes sowie den Bau der Hackschnitzelheizanlage durchführen soll, übergeben werden.

2  Allgemeiner Kontext und Zielsetzung

Das Klosterdorf St. Ottilien besteht insgesamt aus 45 Einzelgebäuden mit den Hauptgebäuden Kloster, Gymnasium und Exerzitienhaus. Die Gebäude (Abbildung 1) wurden in unterschiedlichen Bauperioden erstellt, die ältesten Gebäudeteile stammen aus dem 19. Jahrhundert. Die zuletzt erstellten Bauten aus dem Jahr 1970. Der wärmetechnische Zustand der Gebäude ist sehr unterschiedlich, beispielsweise findet man in ein und demselben Gebäude noch Ein-Scheiben-Verglasung, aber auch ausgetauschte Fenster mit Wärmeschutzverglasung. Kloster, Exerzitienhaus und Gymnasium waren mit jeweils zwei Heizkesseln mit Leistungen zwischen 300 kW und 900 kW ausgestattet. Über Nahwärmeleitungen werden die weiteren umliegenden Gebäude, wie Schwimmbad, Metzgerei, Hofladen, verschiedene Wohnhäuser, Lager, Maschinenhallen, Malerei, Schreinerei, Feuerwehr und Druckerei versorgt. Die gesamte installierte Heizleistung betrug ca. 4 MW.

Abbildung1

Abbildung 1: Die Klosteranlage St. Ottilien

Zur Halbierung des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen um rd. 80 % wurden verschiedene Maßnahmenpakete beschlossen. Die Maßnahmenpakete sollen dabei einem ganzheitlichen Ansatz entsprechen und zu einem energiewirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten optimierten und zu einer deutlichen CO2-Reduktion sowie letztlich für das Kloster zu einer deutlichen Einsparung der jährlichen Kosten führen. Die Maßnahmenpakete werden nicht gleichzeitig, sondern nacheinander in mehreren Schritten durchgeführt. So wurde zuerst eine neue Heizzentrale mit einem verbindenden Wärmenetz gebaut, dann die Heizzentralen modernisiert. Die Sanierung der Gebäudehüllen findet unabhängig von der Heiztechnik statt.

3  Zielsetzung

Der Bau der neuen Heizzentrale sollte durch ein Messprogramm vorbereitet und begleitet werden, um den energietechnischen Zustand vor und nach der Sanierung beurteilen zu können, und um die vom gesamten Netz benötigte Wärmeleistung zu erheben. Ziel dieses ersten Projektes war die möglichst genaue Erfassung des energetischen Ist-Zustands (Spitzen- und Grundlast, Jahresdauerlinie, Benutzungsstunden, Nutzungsgrad, …), um Optimierungspotenziale im Bereich der Heiztechnik zu finden und um für die Auslegung des geplanten Hackschnitzel-Heizwerks den zeitlichen Verlauf des Bedarfs zu kennen.

Die Umsetzung der Optimierungspotenziale sollte begleitet und messtechnisch ausgewertet werden, um den Erfolg quantifizieren zu können und Aussagen über die Verbrauchscharakteristik machen zu können. Hierzu wurden Messstrategien für den Ist-Zustand und für die einzelnen Sanierungsschritte entwickelt, um mit möglichst geringem Aufwand Daten in der für eine Auswertung benötigten Detailtiefe zu erhalten.

Hierzu wurden folgende Arbeitsschritte durchgeführt:

  • Erstellung von Messstellenplänen für die Sanierungsschritte
  • Aufbau- und Abbau der Messungen
  • Auslesen und Auswerten der Messdaten im Ist-Zustand
  • Auslesen und Auswerten der Messdaten nach Energiesparmaßnahmen
  • Quantifizierung der Einsparungen (energetisch und monetär)
  • Prüfung auf weitere einfach zu erschließende Einsparpotenziale
  • Erstellung von Lastgängen für die Energiezentralen und für das gesamte geplante Nahwärmenetz auf der Basis der Messdaten
  • Hochrechnung der Energieverbräuche und der Lastgänge für ein ganzes Jahr
  • Ermittlung der CO2-Emissionen für die einzelnen Sanierungsschritte
  • Hilfestellung bei der Abnahme der MSR
  • Beratung bei der Projektrealisierung

4    Ergebnisse

Abschaltung von je einem Heizkessel in den Energiezentralen

In den Heizzentralen liefen je zwei Heizkessel. So konnte sichergestellt werden, dass beim Ausfall eines Kessels der andere Kessel die Wärme bereitstellt. Dies führt aber dazu, dass die Wärme- und Anlaufverluste fortwährend an beiden Heizkesseln anfallen, sodass beide Kessel mit einem schlechten Teillastwirkungsgrad betrieben werden.

Als Maßnahme wurde ein je der größere Heizkessel abgeschaltet. Sobald die Leistung des anderen Kessels nicht ausreicht, wird auf den größeren Kessel umgeschaltet. In Abbildung 2 ist der Wirkungsgradverlauf bei Umschaltung von einem 325 kW Kessel auf einen 500 kW Kessel (Kloster) dargestellt. Bei Umschaltung zwischen den Kesseln wird auch zwischen den Wirkungsgradkennlinien gewechselt, wodurch sich ein geringerer Wirkungsgrad ergibt, da der große Kessel am Umschaltpunkt in Teillast läuft.

abbildung2

Abbildung 2: Wärmeverluste und Wirkungsgrad von zwei Kessel mit lastabhängiger Kesselumschaltung

In Abbildung 3 sind die Wirkungsgradkennlinien eines parallelen Kesselbetriebs (rote Linie) und eines alternierenden Kesselbetriebs (grüne Linie) dargestellt. Im Parallelbetrieb sind die Verluste immer höher als bei Betrieb von nur einem Kessel, daher liegt die rote Wirkungsgradlinie fortwährend unter der grünen. Durch die Umschaltung zwischen den Kesseln kann gegenüber dem parallelen Betrieb ca. 10 % bis 12 % des jährlichen Heizölbezugs eingespart werden.

abbildung3

Abbildung 3: Vergleich des Wirkungsgrads von verschiedenen Kesselfahrweisen

Die Maßnahme wurde durch Abschaltung des jeweils größten Kessels umgesetzt. Diese Abschaltung von je einem Kessel pro Unterverteilung hat ca. 127.000 EUR pro Jahr gespart.

Messung des Leistungsbedarfs und Erstellung einer Heizkennlinie

In den Heizzentralen wurden Durchflussmesser zur Erfassung des Heizölverbrauchs installiert und mit hoher zeitlicher Auflösung ausgelesen. Diese Messwerte wurden mit der Außentemperatur korreliert um eine Heizkennlinie zu generieren. In Abbildung 4 ist die Heizkennlinie für das Kloster dargestellt. Orange dargestellt ist die Messung des Heizölverbrauchs und die auf dessen Basis generierte Heizkennlinie. Grün dargestellt ist der Verbrauch der Heizzentrale nach dem Umstieg auf eine gemeinsame Energiezentrale. Dabei zeigt sich eine gute Übereinstimmung der Heizölzähler und der später installierten Wärmemengenzähler.

Abbildung4

Abbildung 4: Heizkennlinie des Klosters

Sortierte Dauerlinie des Energieträgereinsatzes

In Abbildung 5 ist die über je eine Stunde gemittelte Leistung in kW kumuliert über alle Heizkessel dargestellt. Die maximale Leistung beträgt 2,36 MW. Der steile Anstieg im Bereich der höchsten Leistung ist auf Anlagentests zurück zu führen. In der Vergrößerung der ersten 100 Stunden rechts oben zeigt sich dies durch eine Änderung der Steilheit in der 26sten Stunde und eine geringere Leistung der Hackschnitzelkessel in diesem Zeitraum.

Abbildung5

Abbildung 5: Sortierte Dauerlinie des Heizkesseleinsatzes

Aufteilung des Energieträgerbezugs

Ca. 70 % der in der Messperiode benötigten Wärme von 3.834 MWh wurden regenerativ von den Hackschnitzelkesseln bereitgestellt. Allein Kessel 2 generierte fast die Hälfte der benötigten Wärme. Unter der vereinfachten Annahme, dass die Hackschnitzel CO2-frei sind, wurden damit ca. 1.136 t CO2 in der Messperiode vom 01.12.2008 bis 03.04.2009 eingespart.

Abbildung6

Abbildung 6: Aufteilung der Energieerzeugung in der Messperiode Dezember 2008 bis März 2009

Diese Aufteilung für die Heizperiode Dezember bis März zeigt, dass bei der Dimensionierung der Hackschnitzelkessel bereits die zukünftigen Sanierungen mit berücksichtigt wurden. Damit die Hackschnitzelkessel auch bei den in den nächsten Jahren angedachten Sanierungen noch gut ausgelastet sind, wurden sie etwas kleiner dimensioniert, als es für den aktuellen Wärmebedarf notwendig wäre. Im Sommerbetrieb bzw. in der Übergangszeit kann die Wärme allein durch die Hackschnitzelkessel erzeugt werden.

Auf ein Jahr hochgerechnet können die Hackschnitzelkessel ca. 85 % bis 90 % der benötigten Heizwärme bereitstellen, der Rest wird weiterhin mit Heizöl gedeckt. Damit wird ein Heizöl-Äquivalent von jährlich ca. 650.000 bis 670.000 Liter Heizöl eingespart.

 

Wir danken dem Bayerischen Landesamt für Umwelt (LfU) für die finanzielle Unterstützung bei diesem Projekt.

 

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Auftraggeber:  Kloster St. Ottilien

Ansprechpartner:  Bruder Josef

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