1. Projekt des Monats: Hamburger Flakbunker – 1.348 Quadratmeter Kollektoren

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

 

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