Plattform für Wasser, Gas und Wärme
Rund 50 Prozent des Energieverbrauchs der Schweiz entfallen auf die Erzeugung von Wärme in Gebäuden und in der Industrie. Nach wie vor wird der grösste Teil davon mit fossilen Brennstoffen abgedeckt. Doch um die Ziele der Energiestrategie 2050 zu erreichen, muss in der Schweiz künftig mehr erneuerbare Energie produziert werden. Die thermische Nutzung von Oberflächengewässern könnte einen wesentlichen Beitrag dazu leisten. Wasser aus Seen und Flüssen eignet sich in einem Energieverbund hervorragend, um Gebäude wirtschaftlich, ökologisch und effizient zu heizen und zu kühlen.
Die Idee der thermischen See- oder Flusswassernutzung ist keineswegs neu. So wird bereits seit 1938 das Zürcher Rathaus mit Limmatwasser beheizt und gekühlt. Aufgrund der guten Erfahrungen kamen in den Folgejahren weitere Verbunde auf Stadtgebiet dazu. Tiefe Ölpreise bremsten allerdings die Weiterverbreitung, erst die Ölkrise in den 1970er-Jahren führte zu einer Sensibilisierung für Umweltthemen. In den 1980er-Jahren entstanden grosse Seewassernutzungen in Luzern und auf dem Campus der ETH Lausanne. Grossprojekte gibt es heute in der Stadt Zürich, am Zuger-, Genfer- und am Vierwaldstädtersee. Zudem kühlt Seewasser seit 2012 auch das Hochleistungsrechenzentrum CSCS der ETH in Lugano und macht es zu einem der energieeffizientesten der Welt. Heute existieren in der Schweiz rund 30 grössere Anlagen sowie eine Vielzahl kleinerer Verbunde, die Gemeinden oder Quartiere versorgen.
Der Zürichsee ist nicht nur ein beliebtes Erholungsgebiet für die Bewohnerinnen und Bewohner der Stadt Zürich sowie der umliegenden Gemeinden. Er ist auch Trinkwasserreservoir und zugleich eine riesige Energiequelle. Das Seebecken mit der Stadt Zürich bietet aus ganz unterschiedlichen Gründen ideale Voraussetzungen für einen Energieverbund. Zum einen ist die Anschlussdichte sehr hoch, da sich auf kleinem Raum viele Immobilien mit Heiz- oder Kühlbedarf befinden. Zum andern hat das Bedürfnis der Kunden nach umweltverträglichen Wärme- und Kältelösungen deutlich zugenommen. Felix Schmid, ehemaliger stellvertretender Energiebeauftragter der Stadt Zürich, sieht weitere Gründe für den Boom der Seewassernutzung: «Die Kombination von Heizen und Kühlen mit Seewasser ist wirtschaftlich attraktiv und konkurrenzfähig. Zudem sind in den dicht bebauten Quartieren rund um das Seebecken Alternativen zur thermischen Energieversorgung mit erneuerbaren Energien kaum vorhanden und sehr teuer.» Bereits gut 50 grössere und kleinere Wärmeverbunde rund um den Zürichsee nutzen heute die thermische Energie des Seewassers.
Seit 2003 hat ewz rund um das ZĂĽrcher Seebecken die drei Verbunde Escherwiese, FraumĂĽnster und Falkenstrasse in Betrieb genommen. Der ebenfalls erstellte Verbund Klausstrasse wurde in den Verbund Seefeld integriert, der bis 2026 fertig gebaut wird. Mit den Verbunden CoolCity und Enge sind weitere Grossprojekte in Realisierung (ewz.ch/zĂĽrichsee).
Sind alle Verbunde dereinst realisiert, lassen sich mit ihnen im Endausbau über 32 000 Tonnen CO2 pro Jahr einsparen. Allein das Generationenprojekt CoolCity wird über 19 000 Tonnen dazu beitragen. Zudem hat ewz in der Überbauung Webermühle in Neuenhof (AG) eine Anlage konzipiert, welche die rund 360 Wohnungen mit umweltfreundlicher thermischer Energie aus der Limmat versorgt (ewz.ch/webermühle).
Das Zürcher Kongresshaus wurde bereits 1984 durch die Nutzung von Seewasser mit Wärme und Kälte versorgt. Aufgrund betrieblicher Probleme wurde die Anlage jedoch in den späten 1990er-Jahren stillgelegt. Als ewz wenige Jahre später beauftragt wurde, das Kongresshaus umweltfreundlich zu heizen und kühlen, entstand die Idee, Seewasser als Energiequelle auch für andere Liegenschaften zu nutzen. Die Instandstellung der Seewassernutzung durch ewz und der Start des Seewasserverbunds Escherwiese erfolgte mit dem Bau des Hyatt-Hotels im Jahr 2003. Bei der kürzlich erfolgten Instandsetzung des Kongresshauses konnte die bestehende Seewasserzentrale durch eine leistungsfähigere Anlage ersetzt werden. Das ermöglicht, weitere Gebäude an den Verbund anzuschliessen.
Das Wasser wird in einer Tiefe von zwölf Metern gefasst und über eine 250 Meter lange Leitung in die Zentrale geführt. Es dient als Energiequelle für die dezentralen, kombinierten Wärmepumpen-Kältemaschinen. Das chemisch unveränderte Wasser wird 150 Meter vom Ufer entfernt in zehn Metern Tiefe wieder in den See zurückgeführt. Der Verbund Escherwiese ist mit einem Wärmebedarf von 4,3 GWh/a im Moment der grösste in der Stadt Zürich. Er versorgt nebst Kongresshaus und Hotel Hyatt auch das Hochhaus zur Palme sowie weitere Bürogebäude am Bleicherweg und an der Claridenstrasse.
Seit 2006 wird Seewasser über eine 760 Meter lange Leitung in die Energiezentrale in der Fraumünsterpost geführt, wo eine kombinierte Wärmepumpe-Kältemaschine mit einer Heizleistung von 1,2 MW und einer Kälteleistung von 800 kW steht. Zusätzliche Wärmepumpen, die 2022 direkt im See in die Zulaufleitung integriert worden sind, erhöhen die Kapazität, um den zukünftigen Anforderungen gerecht zu werden. Eine Gasheizung springt ein, sollten die Wärmepumpen einmal ausser Betrieb sein. Früher wurde die Fraumünsterkirche im Winter mit elektrischen Heizkörpern hinter den Sitzbänken beheizt. Heute sorgen Warmwasserradiatoren für angenehme Temperaturen.
Nebst der Kirche und der ehemaligen Post FraumĂĽnster sind auch das Stadthaus, das Metropol am Bellevueplatz sowie weitere Liegenschaften an der FraumĂĽnsterstrasse am Verbund angeschlossen.
Die Sanierung des Gebäudes der Neuen Zürcher Zeitung (NZZ) beim Zürcher Opernhaus war der Startschuss für die Realisierung des Seewasserverbundes Falkenstrasse. Aus Platzgründen musste eine neue Lösung für die Energieversorgung gefunden werden. ewz schlug vor, den nahegelegenen See als Energiequelle für die kombinierte Wärmepumpe (900 kW Wärmeleistung) und Kältemaschine (720 kW Kälteleistung) zu nutzen. Bei Bedarf können zwei Gasheizkessel zugeschaltet werden. Die Wasserfassung liegt zwei Meter über dem Seegrund in einer Tiefe von 15 Metern und 155 Meter vom Ufer entfernt. Die neue, im Untergeschoss installierte Anlage nimmt lediglich eine Fläche von vier Parkplätzen ein.
Der Seewasserverbund Seefeld ist in der Realisierungsphase und versorgt unter anderem 125 Wohnungen der städtischen Wohnsiedlung Hornbach mit CO2-freier Wärme. Der Teilbereich Klausstrasse profitiert zusätzlich von erneuerbar erzeugter Kälte.
Die Energiezentrale ist in den Kellergeschossen des Erwachsenen Bildungszentrums Zürich untergebracht. Versorgt werden die Wärmepumpen von einer Seewasserzentrale in Ufernähe, die über den Teilbereich Klausstrasse die nötige Heiz- und Kühlenergie liefert. Die Wasserfassung im See erfolgt in ca. 15 Metern Tiefe rund 300 Meter vom Ufer entfernt.
Dass die Seewassernutzung auch in einer Höhe von 1750 Metern über Meer funktioniert, hat ewz am Beispiel St. Moritz bewiesen. Seit 2006 beziehen mit dem von ewz realisierten Energieversorgungskonzept das Hotel Badrutt’s Palace und das Schulhaus Grevas sowie zwei in unmittelbarer Nähe liegende Mehrfamilienhäuser Wärme und Kälte aus dem St. Moritzersee (Fig. 5). Der Entscheid, die alte Ölheizung durch Wärmepumpen zu ersetzen, machte das Nobelhotel zum Ökopionier. Das Wasser des im Winter zugefrorenen Sees wird in rund zwölf Metern Tiefe gefasst, wo es das ganze Jahr über konstante 4° Celsius aufweist. Die Wärmepumpe entzieht ihm zum Heizen etwa 3° Celsius Wärme. Die Wasserrückgabe erfolgt zwei Meter über dem Grund, um keinen Schlick aufzuwirbeln. Das auf 1° Celsius abgekühlte Wasser steigt aufgrund seiner kleineren Dichte zuerst nach oben, wodurch es sich mit dem Umgebungswasser vermischt. Die Anlage deckt gut 80 Prozent des Gesamtenergiebedarfs des Hotels und über 70 Prozent jenes des Schulhauses ab. Zur Spitzendeckung stehen sowohl im Hotel wie auch im Schulhaus konventionelle Ölkessel zur Verfügung. Dank dem Energie-Contracting tragen Hotelbesitzer und Schulgemeinde kein Risiko, müssen keine Investitionen tätigen und können den Betrieb und Unterhalt der Anlage ewz überlassen. Im Vergleich zu einer modernen, fossil betriebenen Anlage lassen sich pro Jahr 475'000 Liter Heizöl sowie 1500 Tonnen CO2 einsparen.
In den 1970er- und 1980er-Jahren entstand in Neuenhof die Wohnsiedlung Webermühle. Sie besteht aus fünf Gebäuden mit über 360 Wohnungen und 28'300 m2 Energiebezugsfläche. Die Wärmeversorgung der 2016 sanierten Überbauung erfolgt mit einer Flusswasserwärmepumpe. Das Flusswasser wird in die Heizzentrale geführt und die Wärme durch einen Wärmetauscher auf einen Zwischenkreis übertragen. Eine Wärmepumpe bringt das Wasser auf das gewünschte Temperaturniveau und wird anschliessend an die Unterstationen in den Wohngebäuden verteilt. ewz verantwortet die Planung, Finanzierung, Realisierung und den anschliessenden Betrieb der Wärmeversorgung. Die Anlage erfüllt sämtliche Auflagen in Bezug auf Natur- und Umweltschutz und die Siedlung kann zu 70 Prozent CO2-frei beheizt werden.
Will die Schweiz in den kommenden Jahren die gesteckten Klimaziele erreichen, führt nichts daran vorbei, künftig erneuerbare Energien für Heiz- und Kühlzwecke zu nutzen. Das See- und Flusswasser wird dabei eine bedeutende Rolle spielen, insbesondere um gewässernahe Städte zu versorgen. Bereits sind bei ewz weitere Grossprojekte in Realisierung, etwa der Energieverbund CoolCity. Im Rahmen einer Vorstudie wurde die Möglichkeit eines Energieverbundes in der Zürcher Innenstadt auf Basis von Seewassernutzung untersucht. CoolCity verfügt für das Jahr 2050 über einen prognostizierten Wärmebedarf von 95 GWh/a und einen Kältebedarf von mindestens 26 GWh/a. Der Projektperimeter umfasst das Gebiet zwischen Hauptbahnhof und Paradeplatz sowie zwischen Lindenhof und Schanzengraben mit einem hohen Anteil an Büroflächen. Deren hoher Wärme- respektive Kältebedarf soll möglichst netzgebunden mit erneuerbarer Energie gedeckt werden. Aus Sicht der Stadt Zürich bietet das Projekt die Chance, weite Teile der Innenstadt zu dekarbonisieren, indem Seewasser zur Heizung und Kühlung genutzt wird. CoolCity benötigt für die Energiezentrale aufgrund seiner Grösse Räumlichkeiten mit 4000 m2 und einer Raumhöhe von 5 Metern. Nach intensiver Analyse konnte des bestehende ewz Unterwerk Selnau als Standort definiert werden. Das Unterwerk bietet architektonisch ausgezeichnete Voraussetzung sowie einen idealen Standort für die zukünftige Verteilung von Wärme und Kälte.
Die Realisierung des Projektes wird parallel zu den geplanten Tiefbauprojekten bis 2035 in mehreren Etappen erfolgen.
Ebenfalls umgesetzt wird der Seewasserverbund Enge. Er liegt am westlichen Seeufer und wurde entwickelt, um eine grosse Stadtfläche klimafreundlich mit Wärme und Kälte zu versorgen. Der laufende Projektwettbewerb für die Gestaltung der Hafenpromenade Enge konnte in die Planungen miteinbezogen werden, und so entsteht unter dem zukünftigen neuen Kiosk Porto Stretto die Seewasserzentrale für den Seewasserverbund Enge. Im Endausbau wird der Verbund neben CoolCity einer der grössten am Stadtzürcher Seeufer. Der Wärmebedarf beträgt 37 GWh, der Kältebedarf 6 GWh. Er spart somit über 7000 Tonnen CO2 pro Jahr.
Mit Seewasser können Neu- und Altbauten aller Gebäudekategorien versorgt werden. Eigentümerinnen und Eigentümer profitieren dabei von ökologischen und wirtschaftlichen Vorteilen. Da in den meisten Fällen lediglich kleine Installationen im eigenen Haus nötig sind, bleiben die Investitionskosten auf tiefem Niveau. Auch braucht es weder einen Kamin noch ein Lager für Brennstoffe und auch die Kosten für Heizungsrevisionen, Kaminfeger oder die Wartung von Brenner und Tank entfallen. Der gewonnene Platz lässt sich anderweitig nutzen, was insbesondere in urbanen Gebieten mit hohen Bodenpreisen die Wirtschaftlichkeit einer Immobilie steigert. Ein weiterer Vorteil ist, dass mit einem System sowohl geheizt wie auch gekühlt werden kann.
ewz plant, baut und finanziert die Anlagen, betreibt und unterhält sie und gewährleistet die Energielieferung – schweizweit. Die Kunden verpflichten sich im Gegenzug über die vereinbarte Laufzeit von meistens 30 Jahren zur Energieabnahme. Mit einem Anschluss verfügen die Kunden jederzeit über eine sichere Versorgung mit einer lokalen Wertschöpfung. Überdies können sie sich darauf verlassen, dass sämtliche Vorgaben im Rahmen der Mustervorschriften der Kantone (MuKEn) erfüllt sind. Im Kanton sowie in der Stadt Zürich und anderen Gemeinden werden Fernwärmeanschlüsse beim Ersatz einer fossilen Heizungsanlage mit Förderbeiträgen unterstützt. Infos dazu erteilen die kantonalen Energiefachstellen.
Die Nutzung von Seewasser ist ökologisch unbedenklich und nachhaltig. Die Energie wird regional produziert und vor Ort verbraucht. Ersetzt ein Wärmeverbund mit See- oder Flusswasser eine fossile Heizung, lassen sich die CO2-Emissionen im Durchschnitt um 80 Prozent senken. Dem Gewässer wird kein Wasser entnommen, es wird lediglich Wärme bis etwa drei Kelvin entzogen respektive zugeführt. Die Wärmeentnahme respektive -zugabe ist im Verhältnis zum Volumen des ganzen Sees so klein, dass kaum eine Beeinflussung stattfindet. Im Sommer ersetzt kühles Seewasser zunehmend strombetriebene Klimaanlagen, um Büro- oder Wohnimmobilien zu kühlen. Dabei ist allerdings besondere Aufmerksamkeit gefordert, da die Kältenutzung eine Erwärmung des Gewässers zur Folge hat. Bei der Planung müssen strenge ökologische Vorgaben beachtet werden. Simulationen haben gezeigt, dass die Erwärmung des Wassers im Moment minimal und unbedenklich ist.
In den Schweizer Gewässern schlummert viel ungenutzte thermische Energie. Dies obschon sich See- und Flusswasser aufgrund der gewässernahen Lage vieler Städte gut zum Heizen und Kühlen eignet, die Technik gut bekannt ist und sich der CO2-Ausstoss markant reduzieren liesse. Ein vom Wasserforschungsinstitut Eawag durchgeführte und vom Bundesamt für Umwelt (BAFU) unterstützte Untersuchung zeigt, dass die Potenziale der Hauptseen und Flüsse der Schweiz «bemerkenswert hoch sind, oft weit über der regionalen Nachfrage» (Informationen unter www.thermdis.eawag.ch).
Auch das vom Verband Fernwärme Schweiz herausgegebene «Weissbuch Fernwärme» ortet in seinen Langfristperspektiven fĂĽr erneuerbare und energieÂeffiziente Nah- und Fernwärme viel ungenutztes Potenzial. Gemäss Schätzungen der Eawag beträgt das Potenzial fĂĽr Wärmeextraktion der 25 grössten Schweizer Seen 97 TWh, jenes von fĂĽnf grösseren Schweizer FlĂĽssen 24 TWh. Diese könnten also in naher Zukunft zu einer signifikanten Quelle thermischer Energie werden.
Die Zahl der Seewasserverbunde dürfte künftig weiter steigen und immer mehr Gebäude mit nachhaltiger Wärme und Kälte versorgen. Ob Seen, Flüsse, Holz oder Geothermie: Im ganzen Land warten natürliche Wärmespeicher darauf, dass ihr Potenzial abgeschöpft wird. Will die Schweiz in den kommenden Jahren die gesteckten Klimaziele erreichen, führt nichts an der Nutzung erneuerbarer Energien vorbei. Dank jahrzehntelanger Erfahrung ist ewz ein idealer Partner bei der Entwicklung und Realisierung von Wärmeverbunden.
Die Wasserentnahme erfolgt idealerweise unter der Sprungschicht im See, da in dieser Tiefe das ganze Jahr über mit mindestens 4° Celsius zu rechnen ist. Um die Uferzonen baulich wie auch biologisch zu schützen, empfiehlt es sich, Entnahme- und Rückgabeleitung im Spülbohrverfahren zu realisieren. Dieses hat gegenüber dem offenen Grabenbau den Vorteil, dass es den Lebensraum von Pflanzen und Tieren im Uferbereich weniger beeinträchtigt. Heute werden meist Kunststoffleitungen (HDPE-Rohre) verlegt. Die Rückgabeleitung, über welche die Wasserrückgabe erfolgt, darf die Entnahme nicht beeinflussen (Rückschluss).
Idealerweise liegt die Seewasser-Pumpstation in Ufernähe und die Pumpen befinden sich aufgrund des Drucks unter dem Seewasserniveau. Um mögliche Verunreinigungen – etwa durch ein allfälliges Kältemittelleck bei den Wärmepumpen oder Kältemaschinen – zu vermeiden, ist zwingend ein Zwischenkreis oder ein Anergienetz zu realisieren. In der Seewasser-Pumpstation befinden sich die Wärmetauscher und Seewasserfilteranlagen. Besondere Aufmerksamkeit erfordern die von Seewasser durchströmten Anlagenteile. Das Ansaugen von Larven der Wandermuschel lässt sich nicht gänzlich vermeiden, jedoch kann durch die Strömungsgeschwindigkeit, Filtrierung und die stetige Reinigung der Installationen eine Ansetzung weitgehend verhindert werden. Von der Seewasser-Pumpstation aus werden die Energiezentralen im Verbund mit Wärme und Kälte aus dem Zwischenkreis oder dem Anergienetz versorgt.
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