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StartHotel+TechnikGebäudetechnikEnergiekonzept::Geothermie trotz Limit

EnergiekonzeptGeothermie trotz Limit

Das Hotel Sonne-Post im Hochschwarzwald hat sich für ein passgenaues, nachhaltiges Energiekonzept entschieden. Wärme wird dabei überwiegend aus Geothermie gewonnen, Netzstrom aus der Wasserkraft des Hochrheins. Das ist nicht ohne Risiko.

Im Zuge einer Erweiterung und Modernisierung ging es für das Dreisterne-Superior-Hotel Sonne-Post im Bergdorf Waldau bei Titisee-Neustadt raus aus der Erdölverbrennung und rein in die Geothermie. Die Wärmeversorgung ist nach dem ersten Schritt zu 70 Prozent regenerativ, aber am Limit. Mehr geht auf dem eigenen Grundstück nicht. Die Stromversorgung aus dem Netz ist zu 100 Prozent regenerativ. Doch der Hausanschluss ist begrenzt auf 110 kW. Sicherheit bringt in dieser Situation das automatische Energiemanagement – und ein Blockheizkraftwerk sowie ein Spitzenlastkessel, die beide noch mit Flüssiggas betrieben werden müssen, bis entsprechende Geräte für Wasserstoff verfügbar sind.

Das Energiekonzept der Sonne-Post ist zugleich übertragbar auf andere Regionen, insbesondere auf kleine und mittlere Unternehmen (KMU). Das Hotel ist ein Familienbetrieb mit mehr als 150 Jahren Tradition. Es wird von Thomas Eiche und seiner Frau Yvonne seit Ende 2019 in der fünften Generation geführt und verfügt über 25 Hotelzimmer, vier externen Ferienwohnungen, Restaurant, Schwimmbad und Sauna.

Passgenaues Konzept für Modernisierungen

Hier noch im Entstehen: Das Schwimmbad im Neubau des Hotel Sonne-Post. (Bild: Hotel Sonne-Post)

Im Zuge eines Umbaus samt Erweiterung wurde in der Sonne-Post in den Jahren 2020 bis 2021 ein Energiekonzept realisiert, das von außen kaum wahrnehmbar ist und so das idyllische Hotelambiente nicht beeinträchtigt. Im Sinne der Energiewende wurde zugleich das Zusammenspiel der Komponenten passgenau auf den Betrieb abgestimmt. Dennoch ist das Konzept anwendbar für andere Hotels, insbesondere wenn Bestandsgebäude modernisiert und erweitert werden und wenn von fossiler auf regenerative Energie umgestellt wird.

Die Prognose nach Herkunft der Wärme bei errechneten 400.000 kWh Bedarf pro Jahr stammt von der Energiedienst AG, Anbieter von objektspezifischen Lösungen, zugleich Erzeuger von Strom aus Wasserkraft und regionaler Netzbetreiber:

  • 68 Prozent Geothermie vom Grundstück des Hotels
  • 2 Prozent Wärmerückgewinnung aus Kühlaggregaten der Restaurantküche
  • 25 Prozent Blockheizkraftwerk, betrieben mit Flüssiggas
  • 5 Prozent Spitzenlastkessel, betrieben mit Flüssiggas

Erfahrungswerte im Normalbetrieb liegen der Sonne-Post derzeit noch nicht vor, da seit Fertigstellung der Energietechnik der Hotelbetrieb stark eingeschränkt war. Die Auswirkungen der Coronapandemie auf das Gastgewerbe sind dafür verantwortlich. Mittelfristig soll das Flüssiggas durch „grünes“ Flüssiggas ersetzt werden, langfristig durch Wasserstoff.

Entscheidung für Geothermie nicht ohne Risiken

„Die Geothermie an diesem Ort ist ein Experiment“, sagt Klaus Nerz, Leiter der Abteilung Wärme- und Energielösungen bei Energiedienst AG in Rheinfelden. Thomas Eiche bevorzugt die Umweltwärme aus dem Boden, trotz der Risiken. Er stammt aus Basel, wo diese regenerative Technik seit Jahren erfolgreich eingesetzt wird, und weiß: „Wir haben hier im Hochschwarzwald ein raueres Klima als unten im Rheintal, in der Folge niedrigere Temperaturen im Untergrund“, sagt Eiche. „Unser 11 x 5,5 Meter großes Schwimmbad hat auch im Sommer permanent Wärmebedarf. Beides gefährdet die Regeneration der Geothermie-Sonden“.

Deshalb hatte Klaus Nerz mit seinem Planungsteam die Luft-/Wasser-Wärmepumpen favorisiert, die der Außenluft die benötigte Wärme entzogen hätten. Aber die Bauherren wollte deren Geräuschemissionen im Interesse der Hotelgäste vermeiden und entschieden sich für das Experiment. Thomas Eiche hofft, die Sonden ohne Pause ganzjährig betreiben zu können.

Im Idealfall wirft Geothermie zwei Drittel Wärme ab

Das fertige Schwimmbad: Als Teil des Neubaus wird es von einer Wärmepumpe mit 35 ° Celsius ganzjährig geheizt. (Bild: Hotel Sonne-Post)

Läuft es nach Plan, stammen 68 Prozent der im Hotel benötigten Wärme aus Geothermie. Dazu entnehmen 23 Sonden die Erdwärme aus jeweils 160 Metern Tiefe. In einem geschlossenen Kreislauf zirkulieren Wasser und zugesetztes Glykol als Frostschutz zwischen den Erdsonden und der Wärmepumpe (WP). Dabei wird 10° Celsius „warmes“ Wasser nach oben transportiert, ein Teil der enthaltenen Energie von der Wärmepumpe auf den Heizkreislauf übertragen, das auf 6° Celsius abgekühlte Wasser wieder in die Tiefe geschickt.

Diese Zirkulation ist mit Geschwindigkeit und Volumenstrom so eingestellt, dass sich das flüssige Transport-Medium am tiefsten Punkt auf die Quelltemperatur erwärmen kann. Erdreich und Gestein in der Tiefe kühlen dabei ab, die Wärme strömt aus der Umgebung aber permanent nach. Damit das dauerhaft und ausreichend funktioniert, muss der Abstand zwischen den Erdsonden groß genug sein. Bei diesem Objekt beträgt er 10 Meter – in der Hoffnung, dass das für einen Ganzjahresbetrieb ausreicht.

Eine Sole-Wärmepumpe im Technikraum des Neubaus überträgt die Erdwärme auf den Heizkreislauf. Im Schwimmbad, in den Saunen und für die Fußbodenheizung der Hotelzimmer in den drei Geschossen darüber wird die Geothermie vorrangig genutzt. Denn dafür reichen 35° Celsius Vorlauftemperatur, ideal für den Betriebskosten sparenden Betrieb der Wärmepumpe.

Strom aus erneuerbaren Ressourcen

Das Maß für deren Effizienz ist die Jahresarbeitszahl (JAZ), die hier rechnerisch und bei Betrachtung der Anwendung im Neubau bei 5-6 liegt. Das heißt, im Verhältnis zur abgegebenen Wärmeenergie beträgt die Aufnahme an elektrischer Energie nur ein Fünftel bis ein Sechstel, also rund 16 bis 20 Prozent. Eine wichtige Größe, denn der Strom für die Wärmepumpe kann allgemein als Ersatz für Brennstoff gesehen werden. Bei einem guten ökologischen Gesamtkonzept wie in der Sonne-Post stammt er aus erneuerbaren Ressourcen, wie Solarstrom und Netzstrom aus Wasserkraft, sowie aus hocheffizienter Kraft-Wärme-Kopplung und entspricht so den Kriterien des Klimaschutzes.

Vor- und Rücklauf mit Wasser-Glykol-Gemisch im Technikraum, zwischen Wärmepumpe und Geothermie-Sonden zirkulierend. (Bild: www.klauswkoenig.de)

Das von Energiedienst realisierte Konzept erstreckt sich auch auf den 30 Jahre alten Bestandsbau. Und dort liegt das Temperaturniveau des Heiz- und Warmwassers bei 40-70° Celsius. Hat die Wärmepumpe noch übrige Kapazität aus der Geothermie, wird damit die Rücklauftemperatur von Warmwasser, Lüftung und Heizung angehoben – allerdings nur bis maximal 50° Celsius, denn im Vordergrund steht für die Planer von Energiedienst die Effizienz der eingesetzten Maßnahmen.

Mit Bezug auf die Wärmepumpe heißt das, dass sie in der JAZ nicht weiter abfallen soll, als auf den Wert von 3-4. Denn je höher die gewünschte Temperatur, desto mehr Strom wird für den Betrieb der Wärmepumpe gebraucht beziehungsweise desto niedriger ist die JAZ.

Günstiger für die höheren Temperaturen zum Schutz vor Legionellen in der Warmwasserbereitung und vor allem im Winter für das Heizsystem im Bestandsgebäude ist neben dem Spitzenlastkessel ein Blockheizkraftwerk (BHKW). Sein Beitrag macht 25 Prozent am jährlichen Wärmebedarf aus. Es wird, wie auch der für 5 Prozent im Jahr verantwortliche Spitzenlastkessel, mit Flüssiggas betrieben.

Engpass Elektro-Hausanschluss

Das Flüssiggas ist der „Pferdefuß“ an der Geschichte, solange es noch kein zu 100 Prozent „grünes“ Flüssiggas gibt. Vermutlich ist das nur eine Frage der Zeit. Oder zum Ende der Amortisationszeit wird das BHKW durch eines ersetzt, das Wasserstoff nutzt. Bis dahin wird um jedes Prozent weniger Wärme-Anteil beim BHKW gekämpft. Er läge bei 27 Prozent, wäre da nicht die Wärmerückgewinnung aus Kühlaggregaten der Restaurantküche, deren Anteil aktuell 2 Prozent beträgt und der vorrangig in die Warmwasserbereitung eingespeist wird. Diese Komponente stammt noch aus der zurückliegenden dreißigjährigen Epoche.

1991 war das Hotel fast vollständig abgebrannt und wurde in nur einem Jahr wiederaufgebaut. Die damals neue Ölheizung mit 190 kW wurde ergänzt um ein Dachs-Öl-BHKW mit 5 kW elektrischer und 12 kW thermischer Leistung. Im Jahresmittel wurden in dieser Kombination etwa 25.000 Liter Heizöl für einen Wärmebedarf von 160.000 kWh benötigt. Der Energiebedarf Strom betrug in der Vergangenheit 185.000 kWh, davon war der vom alten BHKW erzeugte Anteil 35.000 kWh.

Zur künftigen Stromversorgung trägt die neue Photovoltaikanlage mit 15 kWp bei. Mehr war auf dem Neubau nicht möglich. Derzeit laufen jedoch die Vorbereitungen zum weiteren Ausbau auf den Dachflächen des Bestandsbaus mit zusätzlich 20 kWp. Die Prognose für den Jahresbedarf des Hotels an Strom liegt bei 300.000 kWh, doppelt so viel als bisher aus dem vorhandenen Niederspannungsanschluss bezogen wurde. Doch auch künftig wird ein beachtlicher Anteil der elektrischen Energie aus zwei Quellen selbst gewonnen:

  • 20 Prozent BHKW
  • 6 Prozent PV (bis zu 15 Prozent Ausbaupotential)
  • 74 Prozent grüner Ökostrom aus dem Netz

Die Kapazität des Hausanschlusses ist auf 110 kW begrenzt, mehr gibt das Netz nicht her, ohne dass eine eigene Trafostation gebaut wird. Der Engpass entsteht bereits ab einem Strombedarf von 85 kW bei vollem Restaurant- und Küchenbetrieb, insbesondere wenn gleichzeitig die Wärmepumpe läuft, die Saunen aufgeheizt werden oder an den beiden neuen Ladesäulen Elektrofahrzeuge „auftanken“.

Leistungsmanagement schafft Balance

Durch die Erweiterung des Gebäudes in den Jahren 2020/2021 kamen immerhin 100 kW Anschlussleistung hinzu. Damit wurde, vor allem wegen der begrenzten Kapazität des Hausanschlusses, ein gutes Leistungsmanagement erforderlich – ein Spezialgebiet der Energiedienst AG.

Vier Situationen können zu Stress im System führen:

  • Erstens, wenn der Strom knapp wird durch hohen Bedarf im Hotel und damit die Kapazität des Hausanschlusses erschöpft ist.
  • Zweitens, wenn künftig bei zunehmend erneuerbarer Stromerzeugung, vor allem an Tagen ohne Wind und Sonnenschein, die Kapazität im Netz knapp wird. In beiden Fällen überträgt das Leistungsmanagement die Wärmeerzeugung von der Wärmepumpe komplett auf das BHKW. Dabei wird als Nebeneffekt eigener Strom erzeugt, gleichzeitig entfällt die Wärmepumpe als Stromverbraucher.
  • Stress entsteht drittens, wenn zu viel Strom im Hotel produziert wird, weil an sehr kalten Tagen das BHKW zur Anhebung der Heiztemperatur im Bestandsgebäude auf Hochtouren läuft und nebenbei viel Strom produziert, der als Überschuss bei schlechten Preisen ins Netz eingespeist werden muss.
  • Viertens, wenn an Wochenenden oder in den Ferien Unternehmen weniger Strombedarf haben, also bei gleichzeitig viel Sonne und Wind der Strom im Netz übrig ist und die PV-Anlage des Hotels maximalen Ertrag liefert. Das Einspeisen führt dann zu negativen Preisen, verursacht zusätzlich zum Verbrauch von Flüssiggas noch Extrakosten. In beiden Fällen wird aus wirtschaftlichen Gründen das BHKW automatisch abgestellt und die Wärmepumpe bekommt das Signal, die Wärmeversorgung im Hotel komplett zu übernehmen, inklusive der erforderlichen Vorlauf-Temperatur von 65 ° Celsius im Bestandsbau und unabhängig von der sonst so wichtigen Effizienz. Bei sehr kalten Außentemperaturen hilft der Spitzenlastkessel aus.

In allen Fällen regelt das Leistungsmanagement die Balance von ökologischen Ansprüchen und ökonomischen Erfordernissen. Weiter optimiert wird es nun, nachdem die Bauherren entschieden haben, den Strom künftig aus dem Netz von Energiedienst zu Preisen des Spotmarkts zu beziehen. Das heißt, am Vortag bis 12 Uhr liegen die Prognosen und damit die Spotmarktpreise für den Folgetag fest. Durch entsprechende Programmierung für das Leistungsmanagement kann das Zusammenspiel der Komponenten zur Wärme- und Stromerzeugung im Hotel darauf abgestimmt werden – mit dem Ziel, die Nachhaltigkeit weiter zu maximieren und gleichzeitig die Energiekosten tagesaktuell zu minimieren.

Fazit: Das Hotel Sonne-Post im Hochschwarzwald setzt auf ein nachhaltiges Energiekonzept, trotz limitiertem Stromnetz-Anschluss und ausgereizter Geothermie. Die Wärme für das Hotel wird dabei zu gut zwei Drittel aus Geothermie gewonnen, zu einem knappen Drittel übergangsweise aus Flüssiggas, später vermutlich aus Wasserstoff. Die Lage des Objekts im Hochschwarzwald lässt nicht viele Alternativen zu. Die Stromgewinnung durch Photovoltaik auf eigenen Dachflächen wird maximal ausgebaut, kann den Strombedarf aber bei weitem nicht decken.

Mit fortschreitender Energiewende, mit verstärktem Einfluss von Sonne und Wind auf die Strompreise in Deutschland wird das Leistungsmanagement dieses Energiekonzepts mit Spotmarktpreisen für den Folgetag den besten Energiemix für das Hotel zusammenstellen können: Bei hohen Marktpreisen wird im Hotel die Wärmepumpe abgestellt – das BHKW unterstützt dann maximal bei der Wärme- und Stromversorgung. Bei niederen Marktpreisen wird das BHKW abgestellt – die Wärmepumpe übernimmt dann die komplette Warmwasserbereitung, im Winter zusätzlich die Heizung mit hohen Vorlauftemperaturen im Bestandsgebäude.

Klaus W. König

 


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