Mit Abwärmenutzung und Solarthermie fossile Energieträger ersetzen
Viele Hoteliers möchten die Wärmekosten im Hotel senken, den CO2-Ausstoß verringern oder einfach unabhängiger von den Preisentwicklungen bei Öl, Gas und Strom werden. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es hilfreich, die Gebäudetechnik gewerkeübergreifend zu betrachten und mögliche Synergien bei den Energieanlagen zu suchen. Oft lässt sich Abwärme nutzen, die bspw. entsteht beim Betrieb von
- Klimaanlagen
- Kühlzellen und Kühlfächern
- Tiefkühlanlagen
- Frostern
Wärme-Recycling: Aus Abwärme wird Nutzwärme
Abwärme, die sich sinnvoll an anderer Stelle im Haus nutzen lässt, muss nicht entsorgt werden. Somit kann bei vorhandener Notkühlung auf den Einsatz von Verflüssigern oder Rückkühlwerken, die Wärme an die Umluft abgeben, oft verzichtet oder ihr Einsatz reduziert werden. Bei Hotels bedeutet dies neben Einsparungen beim Strom (für die Ventilatoren) ein Verringern der Geräuschbelastung. Das sinnvolle Nutzen von Abwärme bringt mit sich, dass andere Wärmequellen weniger bzw. seltener genutzt werden müssen, also bspw. Erdgas- oder Heizöl eingespart werden kann.
Niedertemperaturwärme kostengünstig auf hohes Temperaturniveau heben
Die Abwärme der eingangs genannten Kühl- und Kälteanlagen fällt meistens bei einer Temperatur von 30 bis 40 °C an – zu wenig, um sie direkt in Hochtemperatur-Heizkreisen zu nutzen oder Warmwasser damit zu bereiten. Dafür ist ein Nacherhitzen erforderlich – eine Aufgabe, welche die sogenannte eXergiemaschine effizient erfüllt.
Die eXergiemaschine: Wärme-Booster zum Anheben der Temperatur
Die eXergiemaschine (eXm) ist eine besondere Wasser-Wasser-Wärmepumpe, die für hohe Quellentemperaturen bis 55 °C und für große Temperaturhübe konzipiert ist. Die eXm wird mit einem Heizungspufferspeicher (auch Heizspeicher oder Wärmespeicher genannt) kombiniert und stellt in dem Speicher eine optimierte Temperaturschichtung her: einen heißen Vorlauf zu den Verbrauchern und einen kühlen Rücklauf zur Wärmequelle. Das geschieht unabhängig von den jeweiligen Betriebsbedingungen. Dazu entnimmt die eXm über zwei separat regelbare Kreisläufe auf mittlerem Temperaturniveau Wasser aus dem Heizspeicher. Ein Kreislauf erhitzt das Wasser, bevor es in den heißen Teil des Speichers gelangt. Der andere Kreislauf kühlt das Wasser und führt es danach in den kühlsten Speicherbereich. So erzeugt die eXergiemaschine bspw. heißes Heizwasser für die Warmwasserbereitung und sorgt für einen kühlen Rücklauf zu Wärmequellen. Dieser kühle Rücklauf steigert z.B. bei bis zu hundertprozentiger Abwärmenutzung den Wirkungsgrad von Kälteanlagen (diese benötigen weniger Strom) oder kann PVT-Solarmodule kühlen (sie erzeugen dann mehr Strom).
Die eXergiemaschine kann das Nacherhitzen – zum Beispiel eine Temperaturanhebung von 35 auf 65 °C – mit sehr hohem Wirkungsgrad erledigen: In vielen Fällen ist für das Erzeugen von 5 kWh Wärme nur 1 kWh Strom nötig. Selbst bei Berücksichtigung der Tatsache, dass eine Kilowattstunde Strom deutlich teurer ist als dieselbe Energiemenge an Erdgas oder Heizöl, sind die Kosten für das Nacherhitzen deutlich geringer.
Beispielrechnung für die Nacherhitzung im Hotel Kemmeriboden Bad (siehe Referenzbeispiele). Gegenübergestellt werden die theoretischen Kosten zum Nacherhitzen mit Heizöl sowie mit der eXergiemaschine. Nicht berücksichtigt ist die Energieeinsparung durch die Abwärmenutzung selbst.
Der Energiebedarf zum Nacherhitzen beträgt bei diesem Beispiel etwa 64000 kWh/a.
| Warmwasserbereitung (WW) mit Abwärmenutzung | ohne eXm | mit eXm |
|---|---|---|
| Eingesetzter Energieträger | Heizöl | Strom + Heizöl |
| Heizölbedarf für Nacherhitzen pro Jahr | über 6400 l | 700 l |
| Strombedarf für Nacherhitzen pro Jahr | - | 11500 kWh |
| äquivalente Energiekosten* pro Jahr | ca. 6000 CHF* | ca. 4100 CHF* |
| CO₂-Emissionen** pro Jahr | 17.900 kg | 5.900 kg |
* bei ca. 0,30 CHF/kWh Strom und 93,75 CHF / 100 l Heizöl
** bei 266 g CO2/kWh bei Heizöl bzw. bei 363 g CO2/kWh bei Strom
Doppelnutzen: Kälte effizienter erzeugen
Wird eine Abwärmenutzung eingesetzt, um die Wärmekosten im Hotel zu senken, sparen Betreiber also viel Geld auf der Wärmeseite. Zusätzlich profitieren sie aber auch bei der Kälteerzeugung: Da die eXergiemaschine gleichzeitig für eine ganzjährig gute Kühlung der Kältetechnik sorgt, arbeitet diese mit einem hohen Wirkungsgrad. Für jedes Grad tiefere Kondensationstemperatur steigt der Wirkungsgrad der Kälteanlage um 1 bis 1,5 Prozentpunkte. Außerdem bewirkt die gleichmäßige Kühlung nahezu konstante Bedingungen auf der Kondensationsseite, zum Beispiel hinsichtlich des Drucks.
Soll auf dachaufgestellte Verflüssiger ganz verzichtet werden, kann eine Wasserkühlung als Notkühler vorgesehen werden. So lassen sich Kosten für Verflüssiger und Installation einsparen.
Dachflächen für die Strom- und Wärmeerzeugung nutzen
Während früher oft Solarthermie als Unterstützung der Heizung und Warmwasserbereitung empfohlen wurde, sind heute PVT-Module immer beliebter. PVT steht für PV und Thermisch. Es handelt sich also um PV-Module, die gleichzeitig Wärme liefern. Bei PVT-Modulen wird Wärme zugunsten eines hohen Ertrags oft bei einer geringen Vorlauftemperatur ausgekoppelt, bspw. bei 45 Grad. Ähnlich wie bei der Abwärme von Kälteanlagen muss diese Solarwärme dann auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden, um z.B. für die Warmwasserbereitung genutzt zu werden. Auch hier erledigt die eXergiemaschine das Nacherhitzen mit hohem Wirkungsgrad. PVT-Module können auch Strom für das Hotel liefern und zum Betrieb der eXergiemaschine mit klimaneutral erzeugtem Strom beitragen.
Doppelnutzen: Mehr Strom, wirkungsvolle Wärme
Bei PVT-Modulen (auch Hybridmodule genannt), profitieren sowohl die elektrische als auch die thermische Energieerzeugung davon, dass die eXergiemaschine eine Temperaturspreizung und einen kühlen Rücklauf zu den Modulen bewirkt. Eine Kühlung der Module sorgt für einen guten durchschnittlichen PV-Wirkungsgrad.
Höhere Wärmeauskopplung bei PVT-Modulen
Gleichzeitig bedeutet ein Absenken der Rücklauftemperatur bei der Solarwärmenutzung, dass der thermische Ertrag der PVT-Kollektoren steigt. Niedrige Temperaturen im kühlen Bereich des Heizspeichers, die durch die eXergiemaschine bereitgestellt werden können, sorgen für einen hohen thermischen Wirkungsgrad und deutlich mehr Solarwärme. Die Kombination von PVT-Modulen mit einer Wärmetechnik, in der eine eXergiemaschine arbeitet, bietet daher eine gute Option, um die Wärmekosten im Hotel zu senken.
Empfehlung für Planer und Hoteliers
Ob Neubau oder Bestand: Wer die Energiekosten im Hotel reduzieren möchte, sollte auch das Potenzial für eine Abwärmenutzung beachten. Abwärme von Klima- und Kälteanlagen kann sinnvoll im Gebäude eingesetzt werden statt sie über Verflüssiger/Kühler an die Umgebung abzuführen. Insbesondere Betriebe mit eigener Gastronomie, die Kühlzellen, Kühlschubfächer einsetzen und gleichzeitig regelmäßig Warmwasserverbraucher wie Spülmaschinen oder Waschmaschinen betreiben, können von der Abwärmenutzung profitieren. Hier sind Abwärmemenge und Wärmebedarf oft in derselben Größenordnung und das Einsparpotenzial ist laut Planer Mark Iten, Geschäftsleiter der Enova AG in Münsingen (Schweiz), enorm. Iten schätzt: „Bei manchen Hotels bzw. Gastronomiebetrieben lässt sich 40 bis 50 Prozent Primärenergie sparen.“ (siehe Referenzbeispiel Hotel Kemmeriboden Bad)
Referenzbeispiele: Anwendungen der eXergiemaschine in Hotels
1. Hotel Landgasthof Kemmeriboden Bad spart durch Abwärmenutzung große Mengen Heizöl
Ziel: Deutliche Reduktion des Einsatzes fossiler Energieträger
Maßnahme: Abwärme der Kälteanlagen zur Warmwasserbereitung nutzen; Nacherhitzen mit der eXergiemaschine
Etwa 5500 Liter Warmwasser benötigt das Hotel Landgasthof Kemmeriboden Bad täglich. Früher wurde Warmwasser ausschließlich mit einem Öl-Brenner bereitet. Heute wird die Abwärme der Kälteanlagen mit etwa 35 °C in ein System von Heizspeichern eingekoppelt und von einer eXergiemaschine auf 65 °C angehoben. Die eXergiemaschine bewirkt zugleich eine niedrige Rücklauftemperatur zu den Kälteanlagen. Durch den ganzjährig kühlen Rücklauf arbeiten die Kälteanlagen effizienter als bei einem Einsatz dachaufgestellter Verflüssiger.
Die größere Energieeinsparung ergibt sich aber auf der Wärmeseite: Die eXergiemaschine stellt die Temperaturen zur Warmwasserbereitung kostengünstiger bereit als ein Öl-Brenner. Allein für das Nacherhitzen von 35 auf 65 °C wären sonst jährlich etwa 6400 Liter Heizöl nötig (entspricht etwa 64000 kWh), die eXergiemaschine benötigt dafür nur etwa 11500 kWh und verursacht keine lokalen CO2-Emissionen, der Heizölbedarf fürs Nacherhitzen betrug nur 700 Liter.
2. Hotel Lisetta maximiert Energieertrag der PVT-Solarmodule
Ziel: Einsatz fossiler Energieträger weiter reduzieren
Maßnahme: Installation einer PVT-Anlage zur Ergänzung der Eigenstromproduktion und zur Erzeugung von Wärme; Temperatur-Boost mit der eXergiemaschine
Seit 2021 ist am Hotel Lisetta in Dorf Tirol (Italien) eine große Solaranlage in Betrieb: Es handelt sich sowohl um PV-Module als auch um Hybridmodule (PVT-Module). Letztere haben eine Gesamtfläche von 102 m². Sie liefern Wärme bei etwa 45 °C und Strom. Der selbst erzeugte Sonnenstrom wird zum größten Teil im Hotel verbraucht.
Da die Temperatur von 45 °C für die meisten Einsatzzwecke im Hotel zu niedrig ist, dient hier eine eXergiemaschine als „Wärme-Booster“. Die Maschine hebt die Temperatur auf ein höheres Niveau, das zum Bedienen der Heizkreise und zur Warmwasserbereitung ausreicht. Zugleich kühlt die eXergiemaschine den Rücklauf zu den PVT-Modulen. Die Photovoltaik-Elemente belohnen jedes Grad Kühlung mit einem 0,2 bis 0,5 Prozent höheren Wirkungsgrad. Geliefert wurde die eXergiemaschine vom italienischen varmeco-Partner Farko KG aus Lajen (Italien).
Dank der neuen PVT-Anlage und der Temperaturanhebung durch die eXergiemaschine konnte das Hotel Lisetta seinen Erdgasverbrauch deutlich reduzieren. Für die Warmwasserbereitung im Sommer sind nun rund 75 Prozent weniger, für die Beheizung des Außenpools in Frühling und Herbst rund 40 Prozent weniger Erdgas erforderlich.
3. Abwärmenutzung im Kölner Hotel Früh am Dom
Der Hotel- und Gastronomiebetrieb am Dom der Cölner Hofbräu P. Josef Früh KG nutzt eine „eXergiemaschine“ zur Abwärmenutzung. Niedertemperaturspeicher (NT) nehmen die Verdichterabwärme der Kälteanlagen bei 35 bis 40 °C auf. Die eXergiemaschine nutzt die NT-Wärme, hebt sie auf ein höheres Temperaturniveau und belädt den Hochtemperaturspeicher (HT), der auch von Fernwärme geladen wird.
Durch die eXergiemaschine lässt sich einerseits die von der Kälteanlage gelieferte Abwärme effektiv im Wärmesystem nutzen und andererseits wird der Rücklauf zur Kälteanlage gekühlt, was den Wirkungsgrad der Kältetechnik steigert.
FAQs zur Abwärmenutzung und Solarwärmenutzung im Hotel
Ja, eine Nachrüstung ist in vielen Fällen möglich. In Hotels mit Kälteanlagen, PVT-Modulen oder andere Niedertemperatur-Wärmequellen kann die eXergiemaschine sinnvoll eingebunden werden, etwa zum Unterstützen der energieeffizienten Warmwasserbereitung.
Die in den meisten Hotel-Anwendungen eingesetzte eXergiemaschine-pro benötigt etwa so viel Stellfläche wie ein Haushaltskühlschrank. Dazu kommt der Platz für die Anschlüsse und zum Öffnen der Türe (z.B. zur Wartung). Die eXergiemaschine benötigt einen oder mehrere Wärmespeicher, wie sie in Hotels oft ohnehin zur Deckung von Spitzenlasten vorhanden sind. Sollte kein ausreichendes Speichersystem installiert sein, ist der Platzbedarf der Speicher zu berücksichtigen.
Exergie ist der Anteil der Energie, der in nützliche Arbeit umgewandelt werden kann – im Gegensatz zu Anergie, die uns keinen Nutzen bietet. Ein Beispiel: 5 °C warmes Wasser enthält Wärme, ist aber (für die meisten von uns) zu kalt zum Duschen. Das Wasser enthält für das Duschen keine nützliche Energie. 40 °C warmes Wasser hingegen bietet uns Exergie zum Duschen. Die eXergiemaschine hebt niedrigtemperierte Energie (z. B. aus PVT-Modulen oder Abwärme) auf ein hohes Temperaturniveau und vergrößert so den Anteil gut nutzbarer Energie – daher der Name eXergiemaschine.
Für die eXergiemaschine ist es nicht relevant, woher die Niedertemperaturwärme kommt. Ein Niedertemperaturspeicher kann also parallel oder im Wechsel mit Abwärme der Kälteanlage, der Wärme von Solar- bzw. PVT-Modulen oder anderer Niedertemperaturwärme geladen werden und die eingespeiste thermische Energie von der eXergiemaschine auf ein höheres, gut nutzbares Temperaturniveau gebracht werden.
