Bis zur Inbetriebnahme der 8.300 Quadratmeter großen Solarthermie-Anlage in Senftenberg im vergangenen Jahr 2016 war die Anlage auf dem Flakbunker in Hamburg-Wilhelmsburg die größte ihrer Art. Errichtet hat sie unser Handwerker des Monats, Dipl.-Ing. Arne Hagemann mit seinem Betrieb Backhaus Solartechnik GmbH. Im großen Interview nennt der Solarexperte die Anlage seinen „Leuchtturm“. Wenn das kein Grund ist, sie hier als Lieblings-Solarthermie-Projekt vorzustellen!
Der Hamburger Energiebunker – die technischen Kenndaten im Überblick
Erbaut: 1943
Sprengung im Inneren: 1947
Beginn des Umbaus zum Energiebunker: 2010
Fertigstellung: 2013
Größe
Grundfläche: 57 x 57 Meter
Höhe: 42 Meter
Ausstellung mit Café: 880 m² + 540 m²
Energiezentrale: 5.625 m²
Sonnenkollektorfassade: 1.348 m² (Dach); 750 kW; 600 MWh/a
Photovoltaik: circa 670 m² (Südseite); 100 kWp; 90 MWh/a
Wärmespeicher: 2.000 Kubikmeter
Gesamtleistung
Wärme: 22.400 MWh – ausreichend für 3.000 Haushalte
Strom: 2.850 MWh – ausreichend für 1.000 Haushalte
Unser Handwerker des Monats, Dipl.-Ing. Arne Hagemann (v.l.) mit seinen Kollegen von der Backhaus Solartechnik GmbH Hamburg bei der Installation der 315 Solarthermie-Kollektoren auf dem Dach des Hamburger Energiebunkers Anfang 2013. Foto: A. Hagemann
Die Solarthermie-Anlage auf dem Dach des Energiebunkers
Auf dem Dach des Energiebunkers hat unser Handwerker des Monats, Arne Hagemann, gemeinsam mit seinem Team 315 Vakuumröhren-Kollektoren des Typs XL 34/50 P installiert. Da die Solarthermie-Anlage in den ersten Wochen des Jahres 2013 installiert wurde, bekamen Hagemann und seine Kollegen es mit dem entsprechenden Wetter zu tun. „1.348 Quadratmeter Aqua-Plasma-Kollektoren in luftiger Höhe bei Schnee zu installieren, das ist super anstrengend gewesen – aber nachhaltig großartig“, sagte unser Handwerker des Monats uns im Interview.
Die Vorgeschichte des Energiebunkers
Die Internationalen Bauausstellung Hamburg (IBA) hatte sich unter anderem der Fragestellung angenommen, mit welchen Instrumenten sich die bislang immensen CO2-Emissionen im Wärmebereich senken lassen. Im IBA-Projektgebiet, der Elbinsel Hamburg-Wilhelmsburg, wurden konkrete Projekte umgesetzt und aufgezeigt, dass erneuerbare Energien in einem urbanen Raum flächendeckend für eine maximale Klima-Entlastung sowohl unter technischen als auch ökonomischen Gesichtspunkten einsetzbar sind.
Das bekannteste Projekt hier ist der Flakbunker, der vom städtischen Energieversorger Hamburg Energie GmbH seit 2010 mit Hilfe von EU-Fördermitteln aus dem „Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE)“ realisiert wird. Das zentrale Objekt des Projektes ist der ehemalige Hochbunker, der im Zweiten Weltkrieg zur Luftverteidigung Hamburgs erbaut und nach Kriegsende im Jahr 1947 von der britischen Armee mit Hilfe von Sprengladungen entfestigt und somit zerstört wurde. Im Anschluss blieb der Bunker nahezu 65 Jahre ungenutzt, gleichwohl er wegen seiner Größe das umliegende Reiherstiegviertel maßgeblich prägte.
Aus diesem Grund wurde der Bunker als stadtteilprägendes Bauwerk berücksichtigt und von Seiten der IBA instand gesetzt.
Ziel des Projektes Energiebunker war der Aufbau einer überwiegend auf regenerativen Energieträgern basierenden Wärmeversorgung im sogenannten Reiherstiegviertel, das einer der Ballungsräume der Wilhelmsburger Insel ist. Versorgt werden sollten die Wohnquartiere rund um den Bunker – ein Gebiet von etwa einem halben Quadratkilometer. Dort stehen mehr als 80 Wohngebäude, öffentliche Einrichtungen und Gebäude für Gewerbe, Handel und Dienstleistungen.
Der ermittelte Wärmebedarf beläuft sich auf etwa 22 Gigawattstunden pro Jahr bei einer Leistungsspitze von bis zu zwölf Megawatt. Die zukünftige Versorgung der Liegenschaften sollte über ein Wärmenetz mit mehr als sieben Kilometer Länge erfolgen, das aus einer Energiezentrale im Inneren des Bunkers gespeist werden sollte. Ein Teilnetz zur Versorgung erster Objekte ist 2012 schon in Betrieb gegangen, der weitere Ausbau erfolgte bis Ende 2015.
Die Technik im und auf dem Flakbunker
Der Pufferspeicher
Um einen hohen Anteil erneuerbarer Energien bei der Wärmeversorgung zu gewährleisten, ist ein Großpufferspeicher mit einem Volumen von 2.000 Kubikmetern Kernstück des Versorgungskonzepts. Wegen seiner Ausmaße von etwa elf Metern mal zwanzig Metern nimmt er große Teile des Bunker-Innern ein. Der Pufferspeicher ist als druckloser, offener Speicher ausgeführt; Speichermedium ist vollentsalztes Wasser. Ausgelegt ist der Speicher standardmäßig auf eine Temperaturspreizung von 40 Kelvin, die Maximaltemperatur soll im Regelfall nicht über 90 Grad Celsius liegen.
Bild 2: Anlagenschema EBW
Der Pufferspeicher ist in der Lage die Tageslastspitzen auf der Bedarfsseite zu kappen. In der Folge kann die thermische Leistung der geplanten regenerativen Erzeugungsanlagen mit etwa 3,7 Megawatt im Verhältnis zur abgerufenen Spitzenlast optimiert werden. Der Anteil der jährlichen regenerativen Wärmearbeit steigt aufgrund der hohen Laufzeiten der entsprechenden Erzeuger auf etwa 85 Prozent, die CO2-Emissionen werden im Vergleich zu den jetzigen Beheizungssystemen um 90 Prozent gesenkt.
Die Wärmeerzeuger
Gespeist wird der Pufferspeicher von verschiedenen regenerativen Erzeugern:
- ein Biomethan-BHKW (rd. 510 kWel, 600 kWth)
- eine Anlage zur Nutzung von Abwärme eines nahegelegenen Industriebetriebs (etwa 290 kWth).
- ein Biomasse-Kessel (ca. 2.000 kWth)
- eine solarthermische Großanlage auf dem Dach des Bunkers (rund 750 kWth)
Die Solarthermie-Anlage und die Photovoltaikanlage bilden die sogenannte „Solare Hülle“ des Projekts Flakbunker Wilhelmsburg. Dem Speicher nachgeschaltet befinden sich vier erdgasbetriebene Brennwert-Doppelkessel mit jeweils 1,1 Megawatt als Redundanz sowie zur Spitzenlastabdeckung.
Die Solarthermie-Anlage auf dem Flakbunker in Wilhelmsburg
Über das gesamte Dach des Energiebunkers hat unser Handwerker des Monats, Arne Hagemann, mit seinem Team Sonnenkollektoren zur Wärmeerzeugung installiert.
Ausrichtung und Neigung der Kollektoren
Die Kollektorreihen sind um 15 Grad nach Süden geneigt, um das ganze Jahr mit wenig Verschattung mit einer möglichst großen Fläche ein Maximum an Wärme zu gewinnen und um die Windlast in 50 Metern Höhe möglichst gering zu halten. Bei dieser Neigung reinigt sich die Anlage bei jedem Regen mühelos von selbst, schreiben die Solarthermie-Experten Rolf Meißner und Joel Schrage von Ritter XL Solar, dem Unternehmen der Ritter Energie, das mit der Installation der Anlage beauftragt worden war.
Die Kollektoren
Es sei demnach einleuchtend, dass in dieser exponierten Lage nur Kollektoren in Frage gekommen seien, die 20 Jahre nahezu wartungsfrei arbeiteten, weil sie nach Abschluss der Bauarbeiten schwer zugänglich sind. Die Solaranlage sollte zudem besonders leistungsstark und die Energie möglichst preiswert sein, weil die Solarwärme vom Betreiber der Anlage verkauft werden sollte. Das für Hamburg typische Wetter sei dabei eine besondere Herausforderung. In Abwägung aller Anforderungen entschied sich Hamburg Energie für Vakuumröhren-Kollektoren mit CPC-Spiegeln und Plasmatechnologie sowie für ein System, das mit Wasser als Wärmeträger arbeitet. Grundlage dieser Technik sind sogenannte Dewar- oder Sydney-Röhren, also evakuierte doppelwandige Glasgefäße, so einfach aufgebaut wie eine Vakuum-Thermoskanne .
Aufbau und Funktion
Beim Flakbunker Hamburg befinden sich die Kollektoren etwa 50 Meter höher als die Solarpumpe und der Wärmetauscher. Nach Vorgabe des Bauherrn durfte die Solarwärme nicht direkt in das Wärmenetz eingespeist werden, sondern immer erst in einen Speicher, dessen Größe auch unabhängig von der Solaranlage mit 2000 m³ bereits feststand. In den Kollektoren fließt das gleiche Wasser wie im Fernwärmenetz und im Speicher, deshalb sind auch das Füllen der Solaranlage und die thermische Ausdehnung ganz einfach. Wegen unterschiedlicher Betriebsdrücke ist trotzdem ein Solarwärmetauscher notwendig. Deshalb sind auch das Füllen der Solaranlage und die thermische Ausdehnung ganz einfach. In den Kollektoren herrscht ein Überdruck von mindestens 1,3 bar, so dass das Wasser darin frühestens bei ca. 115 Grad Celsius siedet. Aufgrund der statischen Höhe muss eine automatische Druckhaltestation bei den Pumpen ständig einen Arbeitsdruck von 6 bis 7 bar aufrechterhalten.
Wenn die Solarpumpen den maximalen Volumenstrom von 30 Kubikmeter pro Stunde fördern, erhöhen sie den Druck um weitere etwa 1,5 bar. Wenn die Anlage abschaltet, weil keine Wärme gebraucht wird (thermischer Stillstand), siedet das Wasser in den Kollektoren und dehnt sich über eine Druckhaltestation aus. Dieser Prozess wurde technisch so organisiert, dass dies gleichmäßig, schnell, ohne Dampfschläge und unter Verdampfung von so wenig Wasser wie möglich geschieht. Wenn der Dampf in den Kollektoren nach Sonnenuntergang kondensiert, wird die Solaranlage von der Druckhaltestation automatisch befüllt und ist wieder betriebsbereit.
Die Solarwärme gelangt über einen Plattenwärmetauscher je nach Temperatur auf verschiedenen Höhen in den Speicher. Der Volumenstrom der Solarpumpen ist stufenlos variabel, so dass nahezu unabhängig von der Einstrahlung stets eine feste Einspeisetemperatur von den Betreibern des Speichers vorgegeben werden kann.
Die Solarverrohrung
Bei der Solarverrohrung handelt es sich um geschweißte Stahlrohre, die zur Wärmeisolation fest eingeschäumt in Polyurethan (PU)-Hartschaum und von einer wetterfesten Kunststoff-Schutzhülle umgeben sind. Im thermischen Stillstand treten in den Rohren kurzzeitig maximal 160 Grad Celsius auf, das ist die Nassdampftemperatur bei dem dann in den Kollektoren erhöhten Druck.
Der Frostschutz
Das Kollektorfeld und die Rohr-Außenleitungen müssen vor dem Einfrieren geschützt werden. Dazu genügen Wassertemperaturen von 5 bis 8 Grad Celsius. In kurzen Pulsen werden kleine Wärmemengen Niedertemperaturwärme eingesetzt. Die Solarpumpe arbeitet dafür nur ca. 20 Betriebsstunden im ganzen Jahr und für die notwendige Wärme wird mit ein bis zwei Prozent des solaren Jahresertrages gerechnet. Zur Absicherung des Frostschutzes auch bei Stromausfall wurde die Solaranlage mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung ausgestattet.
Flakbunker: Der solare Ertrag
Zu Beginn der Einspeisung war der gesamte Speicher im Energiebunker noch kalt. Bei niedrigen Arbeitstemperaturen arbeitete die Solaranlage nahezu bei jedem Wetter, selbst bei strömendem Regen, weil bereits Einstrahlungen von 70 bis 120 Watt pro Quadratmeter ausreichten
Am 10.04.2013 erreichte die Einstrahlung bei sehr schlechtem Wetter selten mehr als 120 Watt pro Quadratmeter, trotzdem war die Anlage etwa sechs Stunden in Betrieb und noch 135 kWh gelangten in den Speicher. Nach etwa zwei Monaten waren die gesamten 2.000 Kubikmeter auf knapp 90 Grad Celsius aufgeheizt und die Kollektoren arbeiteten nur noch mit Temperaturen zwischen 105 und 115 Grad Celsius.
In den ersten dreieinhalb Monaten von der Inbetriebnahme Mitte April bis Ende Juli war die Anlage auf dem Flakbunker bereits 187 Stunden im thermischen Stillstand, weil der Speicher bereits voll geladen und eine Entladung in den heißen Sommermonaten nur bedingt möglich war. In dieser Zeit gelangten von 658 Megawattstunden Einstrahlung 276 Megawattstunden Solargewinne in den Speicher (220 Kilowattstunden pro Quadratmeter Bruttokollektorfläche).
Die vorgeschriebenen Ausführungen stammen aus dem ausführlichen Bericht von Ritter XL Solar zur solarthermischen Fernwärmeunterstützung, den ihr hier als PDF findet.
In einer online verfügbaren Präsentation von Dolores Lange und Bernhard Weyres Borchert, SolarZentrum Hamburg, DGS, LV Hamburg / Schleswig-Hostein „Monitoring größerer solarthermischer Anlagen in Hamburg – Ergebnisse“ fand ich unter anderem folgende Daten zum Energiebunker: Für zwölf Monate Betriebszeit wird dort der Solarertrag auf 504,3 Megawattstunden beziffert, Der spezifische Ertrag mit 410 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr.
Projekt 1 des Monats Januar 2017 – “Flakbunker ” in Hamburg – Wilhelmsburg
| Anlagengröße: | 1.348 m² (315 Kollektoren) | |
| Pufferspeicher: | 2.000 Kubikmeter Pufferspeicher (6 x 20 Meter) | |
| Kollektoren | Aqua Plasma Vakuumröhrenkollektoren | |
| Ausrichtung: | Süden | Neigungswinkel: 15 Grad |
| Beheizte Wohneinheiten: | 3.000 | Baujahr der Anlage: 2013 |
| Ertrag/Jahr: | Solarertrag: 504,3 Megawattstunden pro Jahr | spezifischer Ertrag: 410 Kilowattstunden pro Quadratmeter pro Jahr |
| Wärmebedarf gesamt für 3.000 Haushalte: | 22.400 MWh/a | Wärmeleistung Solarthermie-Anlage geplant: 750 kW; 600 MWh/a |
| Ausführender Betrieb: | Backhaus Solartechnik GmbH Bergstedter Markt 1 22395 Hamburg Telefon: +49 / 40 / 60 44 12 – 91 Fax.: +49 / 40 / 60 44 12 – 92 E-Mail: mail@nullbackhaussolartechnik.de Internet: www.backhaussolartechnik.de |
Interview mit Arne Hagemann |
Fotos der Solarwärmeanlage auf dem Flakbunker in Hamburg-Wilhelmsburg: Arne Hagemann, Backhaus Solartechnik GmbH Hamburg, Grafiken: Ritter XL Solar
tolles Projekt
– man sieht, welches Potential Solarthermie hat; aber warum nur findet sie keine weite Verbreitung!?
Meine persönliche Meinung als ebenfalls thermischer Solarbauer – vgl “www.solarprojekt-wohlgemuth.de” ist, dass die PV-Industrie, dahinter die Stromlobby, dieses Feld “abgrast” und so der Öffentlichkeit, den Strom für ihre Wärmepumpen verkaufen kann. Diese “Platten auf dem Dach” werdenvon der überwiegenden Öffentlichkeit nicht näher differenziert, was ist PV und was THermie – und dann kommt noch dazu, dass der steigende Strompreis ja durchaus zT auf die PV-Einspeisevergütung zurückzuführen ist/war, was einen gewissen “Sozialneid” auf das EFH mit diesen Platten zeigt (“wegen diesen Nachbarn bezahlen wir mehr für unseren Strom, weil diese Nachbarn ihren Strom staatlich garantiert abgenommen bekommen..”).
Sehr interessant die technischen Möglichkeiten des drucklosen Speichers. Hatte ich mir 2008 auch überlegt. Denn ab meinen 12 m/3 -besser das nächste Mal 20m/3/EFH- wird´s schon knapp die Druckhaltung der Unterschiede, welche von den Differenzen Sommer-Winter herrühren, nur mit den herkommlichen Membranausgleichsgefäßen zu gewährleisten. Diese kosten Geld und Platz, mussten – bei mir im Außenbereich – ebenfalls frostgeschützt werden, und benötigen Wartung. Die nächste Kategorie wäre dann permanente Druckhaltestationen, extra kompressor, Strom, Entgasungsanlage, Wasseranschluss, alles Nachteile. Die Variante drucklos hat freilich auch einen Nachteil: dass Luft und damit Sauerstoff in den Wasserkreislauf kommt. Damit er nicht in den Heizungen der Wohnungen landet und dort für Korrosion sorgt, wird wohl je ein Wärmetauscher dazwischen sein – wieder ein Nachteil und (wenig) Wärmeverlust.
Ebenso gesparter Frostschutz! Wow. Nur mit (anteiligem) Solarstrom Impulspumpen, um das System auf 6-8 Grad zu halten. Gute Idee. Denn die Frostschutzlösung aus Polyglykol taugt für die kleinen Hausanlagen, die relativ wartungsfrei viele Jahre laufen. Aber für größere Dächer die größeren Kreisläufe mit Frostschutz zu versorgen – da kommt man ab einer gewissen Grenze zu dieser Lösung. War aber auch Hamburg – milde Winter! Bei uns im Schwarzwald mit bis zu 28 Grad Kälte hätte ich mich das nicht getraut.
Weiter so!!!