Energieautarkes Stadtquartier

Auf dem Lagarde-Campus in Bamberg entsteht ein neues Stadtquartier, und mit ihm ein Leuchtturmprojekt der Energiewende: Mitten in der Stadt bietet es Platz für 1.200 Wohnungen, dazu Gewerbeflächen, soziale Einrichtungen und Raum für kulturelle Angebote. Vor allem aber: Die Energie, die hier verbraucht wird, gewinnen die Betreiber fast ausschließlich aus regenerativen Quellen vor Ort. Wesentliche Elemente des Konzepts sind Strom aus Photovoltaik-Anlagen und Wärmepumpen des Herstellers alpha innotec.

Es ist ein seltener Glücksfall für Bambergs Stadtplaner: Plötzlich bietet sich ihnen inmitten der ehemaligen Residenz- und Garnisonsstadt ein 200.000 Quadratmeter großes Areal. Eine Freifläche, so groß wie 30 Fußballfelder, die sie neugestalten und mit attraktiven Wohngebäuden bestücken können.

Freigeworden ist das Lagarde-Gelände, nachdem die US-Army im Jahr 2014 ihre letzten Soldaten abgezogen hatte. Seit dem 16. Jahrhundert war der Platz als Kasernengelände genutzt worden, zuletzt nach dem Zweiten Weltkrieg von den Amerikanern. Zum ersten Mal seit Jahrhunderten ist Bamberg keine Garnisonsstadt mehr und bekommt quasi auf dem Silbertablett die Chance, ein riesiges innerstädtisches Areal für ihre Zwecke zu nutzen.

Da die US-Army schon einige Jahre zuvor ihre Pläne offengelegt hatte, war das Grundkonzept für das künftige neue Stadtquartier bei ihrem Abzug bereits weit gediehen. Lagarde, so die Zielvorstellung, sollte eins der innovativsten Quartiere in ganz Europa werden – mit bezahlbarem Wohnraum und sozialen Einrichtungen, mit Platz für Gewerbeansiedlungen, Raum für Dienstleistungen und Kulturangebote.

Energie aus erneuerbaren Quellen

Vor allem aber: Das neue Stadtquartier sollte so weit als möglich energetisch autark sein. Damit waren die zentralen Elemente der Energie- und Wärmeversorgung im Grunde bereits definiert: Wärmepumpen – in diesem Fall von alpha innotec – und Photovoltaik.

Verantwortlich für die Entwicklung des Energiekonzepts und dessen Umsetzung ist das Team um Stefan Loskarn, dem Leiter Quartiersentwicklung bei den Stadtwerken Bamberg. Der Diplom-Ingenieur für Versorgungstechnik kennt jedes relevante Detail und hat zugleich den Überblick über die Gesamtplanung. Und sein Anspruch ist klar: „Lagarde ist eines der größten innerstädtischen Infrastrukturprojekte Deutschlands. Das wollen wir nachhaltig und umweltfreundlich versorgen.“

Um das zu erreichen, haben die Planer ein Energie-, Wärme- und Mobilitätskonzept entwickelt, das sehr genau austariert und in dieser Form bislang einmalig ist. So gewinnen die Stadtwerke rund 70 Prozent der benötigten Wärmeenergie aus erneuerbaren Ressourcen direkt auf dem Gelände. Allein damit empfiehlt sich Lagarde als Modell für viele Stadtquartiere, die in den nächsten Jahren in Deutschland und Europa entstehen. Denn: Für eine gewachsene städtische Infrastruktur mit Alt- und Neubauten, Wohnhäusern, Bürokomplexen und Gewerbeflächen ist ein derart hoher Autarkiegrad mustergültig. Umso mehr, da fast ein Drittel der zum Gesamtprojekt gehörenden Gebäude Altbauten sind, die meisten davon denkmalgeschützt.

Wärmepumpen – klimafreundliche Heizung

Im westlichen Teil des Lagarde-Campus, dem ersten Bauabschnitt, entstehen aktuell rund 900 Wohneinheiten und zahlreiche Gewerbe- und sonstige Flächen. Mehr als hundert Wohnungen sind bereits bezogen. Wärmepumpen des Herstellers alpha innotec liefern die Heizenergie. Je nach Größe und Heizlast des jeweiligen Gebäudes sind in jedem Heizraum zwischen einer und drei Wärmepumpen installiert, im Endausbau werden hier insgesamt rund 70 Maschinen ihren Dienst verrichten. Im Einsatz sind drei verschiedene Modelle: alpha innotec SWP 582, SWP 691 und SWP 561H, wobei das „H“ für Hochtemperatur steht.

Sehr zur Freude von Steven Koch. Er ist Spezialist für die Entwicklung klimafreundlicher Quartierslösungen beim Wärmepumpenhersteller ait-deutschland, von dem die alpha innotec Maschinen kommen: „Die Stadtwerke Bamberg haben eine Lösung für die Wärme- und Energieversorgung des neuen Stadtviertels entwickelt, die ihresgleichen sucht. Das ist ein gutes Signal für die Umwelt – und wir freuen uns natürlich, dass alpha innotec in dieses ehrgeizige Musterprojekt eingebunden ist.“

Dass zumindest alle Neubauten im Quartier mit Wärmepumpen beheizt und zum Teil gekühlt werden sollten, darüber waren sich die Planer übrigens lange vor den aktuellen Problemen um Versorgungssicherheit und rasant steigende Energiepreise einig. Schließlich gilt die Wärmepumpe als das Heizsystem der Zukunft, weil es besonders energieeffizient und klimafreundlich arbeitet.

Klar war auch, dass man, wo immer möglich, Geothermie nutzen wollte. Denn Erdwärmepumpen haben einen deutlich höheren Wirkungsgrad als Luft/Wasser-Geräte, die ihre Primärenergie aus der Umgebungsluft beziehen. Das liegt vor allem daran, dass die Sole aus der Erde in der Regel zwischen 8 und 12 °Celsius warm ist.

Damit liegt Sole im Winter, wenn besonders viel Heizenergie benötigt wird, deutlich über dem durchschnittlichen Niveau der Umgebungsluft. Hinzu kommt: Erdwärme unterliegt das ganze Jahr über geringen Temperaturschwankungen. Gleiches gilt im Übrigen für Abwärme aus Industrieanlagen, Rechenzentren, Gewässern oder Abwasserkanälen. Auch sie liefern Primärenergie auf einem ganzjährig relativ hohen und gleichbleibenden Niveau.

Ideale Arbeitsbedingungen: Erd- und Abwärme

Das sind ideale Arbeitsbedingungen für eine Wärmepumpe. So ist sie in der Lage, aus einer Kilowattstunde Strom zwischen vier und fünf Kilowattstunden Heizenergie zu machen. Grund genug für die Bamberger, neben Erdwärme auch den in der Nähe verlaufenden städtischen Abwasserkanal mit in ihre Energieplanung für Lagarde einzubeziehen. Um diese Quelle anzuzapfen, brachten die Stadtwerke auf dem Boden des Kanals 750 Quadratmeter Wärmetauschermatten aus Edelstahl ein.

Für die Verteilung der Primärenergie setzen sie auf ein sogenanntes kaltes Nahwärmenetz. Über dieses Netz erreicht die Sole die Wärmepumpen in den Heizzentralen des Quartiers über verhältnismäßig kurze Wege.

Dieses Verteilkonzept hat eine ganze Reihe von Vorteilen: Anders als bei einem warmen Nahwärmenetz, das Wärmeträger auf Heizungsniveau transportiert, entstehen aufgrund des vergleichsweise niedrigen Temperaturniveaus praktisch keine Verteilverluste. Im Gegenteil: Da das Trägermedium in nicht isolierten Leitungen zu den Wärmepumpen in den Gebäuden transportiert wird, nimmt es auf seinem Weg zusätzliche Wärme aus dem umgebenden Erdreich auf.

Erwünschter Nebeneffekt: Ein kaltes Nahwärmenetz bietet die Möglichkeit, die angeschlossenen Gebäude im Sommer angenehm zu kühlen. „Dabei wird die Wärme aus den Häusern einfach ins Erdreich abgeführt“, erklärt Stefan Loskarn. Im Gegenzug strömt kühlere Sole in das Verteilsystem ein. Die Wärmepumpen selbst bleiben dabei ausgeschaltet – das Ergebnis ist ein angenehmer Kühleffekt, der bis auf den Betrieb der Umwälzpumpen keine Energie kostet.

Mehr noch: Die Wärme, die durch diese sogenannte passive Kühlung in den Untergrund verbracht wird, steht zumindest am Beginn der Heizperiode wieder zur Verfügung. Denn das Erdreich speichert diese Wärme über Monate hinweg. Im Übrigen regeneriert dieser Wärmekreislauf den Wärmevorrat im Untergrund und beugt so einem dauerhaften Auskühlen vor.

Novum: Erdkollektoren unter den Gebäuden

Primärenergie aus der Erde liefern zum einen 55 Erdsonden, die 120 Meter tief in den Untergrund getrieben wurden. Zum anderen ließen die Stadtwerke auf insgesamt auf rund 20.000 Quadratmetern Fläche Erdkollektoren horizontal verlegen – auf den Freiflächen etwa 1,5 Meter unter der Oberfläche.

Die 11.000 Quadratmeter Kollektorfelder unter den Neubauten liegen in bis zu vier Metern Tiefe – ein Novum, denn üblicherweise werden Kollektorfelder nicht überbaut. „Unsere Simulationen haben gezeigt, dass Kollektoren unter einem Gebäude mit intelligent gesteuerter Regeneration genauso gut funktionieren wie im Freigelände“, so Stefan Loskarn. Intelligent heißt in diesem Fall: Die Isolierschicht der Neubauten liegt an der Kellerdecke, Keller und Grundplatten sind nicht Teil der thermischen Hülle.

Mehr als die Hälfte ihrer Primärenergie, übers Jahr rund 3.030 Megawattstunden, beziehen die Wärmepumpen aus der Erde. Weitere rund 2.660 Megawattstunden bringt die Abwärme aus dem Abwasser, das auf dem Gelände und im gesamten Ostgebiet Bambergs anfällt.

Um den oben beschriebenen Regenerationseffekt im Erdreich noch zu verstärken, leiten die Quartiersbetreiber auch überschüssige Wärme aus dem Abwasser im Sommer in den Untergrund ein. Der natürliche Wärmespeicher liefert dafür in der Heizsaison wieder mehr Primärenergie für die Wärmepumpen.

Übrigens: Mit der Nutzung von Abwärme beweisen die Bamberger, dass sie schon vor der Politik wussten, wie eine zukunftsfähige Quartierslösung aussieht. In seiner Sitzung am 23. März 2022 nämlich beschloss der Koalitionsausschuss der Bundesregierung, genau das zu forcieren. Im Sitzungsprotokoll des Ausschusses heißt es, man wolle unter anderem „dafür sorgen, dass Abwärme schnell und unkompliziert in die Fernwärme integriert werden kann.“

Solarstrom von den Dächern

Den Strom für das neue Quartier liefern Photovoltaikanlagen, die auf fast allen Dächern installiert sind. Die denkmalgeschützten Altbauten sind außen vor und wurden nicht mit PV-Modulen bestückt. Insgesamt 14.000 Quadratmeter Solarpaneele liefern jährlich etwa 2.950 Megawattstunden Strom, von denen mehr als ein Drittel in den Betrieb der Wärmepumpen fließt. Der Rest des PV-Ertrags wird ins Stromnetz eingespeist und deckt den sonstigen Strombedarf im Quartier.

Im Endausbau wird die geplante kWp-Leistung in Lagarde bei rund 3.000 kW liegen. Bilanziell, so Stefan Loskarn, kommt der Strom für Lagarde zu hundert Prozent aus den Photovoltaik-Anlagen.

Für die Wärmeversorgung der Altbauten setzen die Bamberger auf das herkömmliche Fernwärmenetz, das die Kasernen schon seit den 80er Jahren versorgte und mit Energie aus dem Müllheizkraftwerk am Bamberger Hafen gespeist wird.

Als Backup-System dienen zwei Blockheizkraftwerke. Sie werden stromgeführt betrieben und liefern Strom für den Betrieb der Wärmepumpen, wenn etwa witterungsbedingt nicht ausreichend PV-Strom verfügbar sein sollte.

Wärme zwischenspeichern

Die Prozesswärme der BHKWs wird in einem Warmwasser-Pufferspeicher in der Heizzentrale des Quartiers gesammelt und den Bestandsgebäuden bei Bedarf über das Fernwärmenetz zur Verfügung gestellt. Der Pufferspeicher mit 12,3 Meter Höhe, 4,3 Meter Breite und 17,8 Tonnen Gewicht fasst 153.000 Liter.

Um die Energie optimal zu nutzen, sorgt die ausgeklügelte Steuerung unter anderem dafür, dass die Wärmepumpen den nicht direkt benötigten Strom der PV-Anlagen zur Erzeugung von heißem Wasser nutzen. Kleinere Pufferspeicher in den Gebäuden nehmen diese Wärmeenergie tagsüber auf, ihr thermisches Speichervolumen beträgt, über alle Gebäude verteilt, rund 160 Kubikmeter. So machen sie das gelegentliche Überangebot an PV-Strom auch abends und bei Nacht nutzbar.

Die Systemsteuerung stellt außerdem sicher, dass der Wärme- und Strombedarf jedes Gebäudes immer optimal abgedeckt ist. Gleiches gilt für die Wiederverwertung sonstiger Energie, die im System anfällt, aber aktuell nicht genutzt wird.

Begehrtes Forschungsobjekt

Wenig überraschend, dass der Lagarde-Campus auch ein begehrtes Forschungsobjekt ist. So haben das Fraunhofer-Institut IEE, das Nürnberger Ingenieurbüro BUILD.ING Consultants und ein wissenschaftliches Team der Otto-Friedrich-Universität Bamberg im Vorfeld eine detaillierte Machbarkeitsstudie erstellt.

Im Rahmen des Forschungsprojekts ENable analysiert ein Team seit April 2022 die Energieverteilung und das Energiemanagement innerhalb des Campus. Außerdem suchen die Wissenschaftler nach Optimierungsansätzen, um die Erzeugungsanlagen so flexibel wie möglich zu betreiben. Das ist ein wesentlicher Faktor bei der Nutzung erneuerbarer Energien.

Ein Team der Technischen Hochschule Nürnberg, der Technischen Universität Dresden und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg analysiert systematisch alle Wärmequellen mit dem Ziel, eine optimale Betriebsstrategie zu entwickeln. Konkret geht es um das tatsächliche thermische Verhalten des Untergrundes, um die Systemsteuerung optimal an die Verhältnisse im Erdreich und dem Gestein anzupassen.

Außerdem erfassen die Wissenschaftler zahlreiche Systemparameter. Davon versprechen sie sich Erkenntnisse über die Wechselwirkungen der verschiedenen Quellen und gegebenenfalls, wo sich Optimierungspotenziale ausschöpfen lassen. Ihre Forschungsergebnisse fließen in dynamische Simulationsmodelle ein, anhand derer sie das Verhalten der Wärmequellen im Gesamtsystem erkennen und vorhersagen können. Auf Basis dieser Modelle soll dann eine Simulationssoftware für das Komplettsystem entstehen.

Damit leisten die Forschungsvorhaben wichtige Beiträge, um die Ressourcen vor Ort optimal zu nutzen und das Gesamtsystem sowie dessen Wirtschaftlichkeit weiter zu verbessern.

Lagarde beginnt zu leben

Mehr als hundert Wohnungen in Lagarde-West sind inzwischen bezogen. Derweil laufen bereits die Erschließungsmaßnahmen für den Abschnitt Lagarde-Ost. Hier sollen weitere 300 Wohneinheiten entstehen. Außerdem wird dort das Medical-Valley-Center Bamberg seinen Sitz haben – mit Pflegeeinrichtung, Büroräumen und einem Gründerzentrum für medizintechnische Startups.

Steven Koch von alpha innotec ist überzeugt: „Mit diesem Projekt zeigt Bamberg, wie umweltfreundliche Stadtquartiere funktionieren und wirtschaftlich attraktiv sein können. Es erfüllt mich schon ein bisschen mit Stolz, dass wir mit alpha innotec Wärmepumpen dabei sein dürfen.“