4. Generation der Fernwärme : Vorgedämmte Rohrsysteme für effiziente und nachhaltige Wärmenetze

Wärmenetze, auch als Fernwärmesysteme bekannt, gewinnen in Europa zunehmend an Bedeutung. Sie gelten als Schlüssel zur Dekarbonisierung des Gebäudesektors und zur Steigerung der Energieeffizienz. Besonders in städtischen Gebieten, wo eine zentrale Versorgung die Effizienz verbessern und die Integration erneuerbarer Energiequellen und industrieller Abwärme erleichtert, bieten diese Systeme ein großes Potenzial für eine nachhaltige Wärmeverteilung. 

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Um dieses Potenzial voll auszuschöpfen, werden die derzeitigen Systeme zu fortschrittlicheren und flexibleren Konzepten weiterentwickelt. Fernwärmesysteme der vierten Generation (4GDH- Fourth Generation District Heating) zeichnen sich durch niedrigere Vorlauftemperaturen, eine verbesserte Netzsteuerung und die Kompatibilität mit CO₂-armen Technologien aus. Diese niedrigeren Betriebstemperaturen ermöglichen auch den Einsatz vorgedämmter Polymerrohrsysteme, die Vorteile hinsichtlich Flexibilität, Korrosionsbeständigkeit und einfacher Installation bieten.

⇨ Dieser Fachartikel gibt einen Überblick über vorgedämmte Rohrsysteme in modernen Wärmenetzen. Behandelt werden typische Anforderungen an Planung und Installation, Dämmleistung, die zu erwartende Lebensdauer und Umweltaspekte, die für die langfristige Entwicklung von Netzen relevant sind. 

Die Klimaziele der EU, die Abkehr von fossilen Brennstoffen und steigende Energiekosten haben Fernwärmenetze als skalierbare Lösung für eine CO₂-arme Wärmeversorgung etabliert, insbesondere in städtischen Gebieten. Neue Förderprogramme, gesetzliche Rahmenbedingungen und technologische Innovationen beschleunigen derzeit die Umsetzung in Österreich, Deutschland, den Niederlanden, Frankreich sowie in Mittel- und Osteuropa. Wärmenetze sind ein zentraler Baustein der nachhaltigen Energiezukunft Europas.

Fernwärme der vierten Generation (4GDH) spielt dabei eine zentrale Rolle und bietet eine flexible und zukunftssichere Lösung für eine nachhaltige Wärmeversorgung. Dieser neue Standard zeichnet sich durch niedrigere Vorlauftemperaturen aus und ist für eine Vielzahl von erneuerbaren und CO₂-armen Wärmequellen ausgelegt. Während Fernwärmenetze der dritten Generation in der Regel mit Vorlauftemperaturen zwischen 80 und 130 °C und Rücklauftemperaturen von etwa 40 bis 60 °C betrieben werden, nutzen Systeme der vierten Generation Vorlauftemperaturen von 50 bis 70 °C und Rücklauftemperaturen von 20 bis 40 °C. 

Im Vergleich zu früheren Generationen sind 4GDH-Systeme besser mit Technologien für erneuerbare Energien wie Solarthermie und Geothermie sowie mit Abwärme aus industriellen Prozessen und Rechenzentren kompatibel. Sie erleichtern auch den Einsatz von Großwärmepumpen, die mit Strom aus erneuerbaren Quellen betrieben werden können.

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Die niedrigeren Systemtemperaturen tragen zur Verringerung von Wärmeverlusten im Verteilungsnetz bei und ermöglichen eine Anbindung an moderne, energieeffiziente Gebäude. Zudem können 4GDH-Systeme leichter an dezentrale Netzstrukturen angepasst werden und sie unterstützen die Sektorenkopplung, beispielsweise durch die Nutzung von überschüssigem Strom zur Wärmeerzeugung.

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Mehrere europäische Länder setzen 4GDH-Konzepte bereits erfolgreich sowohl bei Neubauten als auch bei der Sanierung bestehender Netze ein. Die politischen Rahmenbedingungen und Finanzierungsmechanismen auf EU- und nationaler Ebene werden zunehmend an die technischen Anforderungen von 4GDH-Systemen angepasst. 

Derzeit dominieren vorisolierte Stahlrohre aufgrund ihrer Beständigkeit gegenüber erhöhten Temperaturen den Markt für Fernwärmeleitungen. Der verbleibende Marktanteil wird hauptsächlich von Rohren auf Polymerbasis bestimmt, darunter Materialien wie PB-1 und PE-Xa. Diese punkten durch hohe Flexibilität und einfache Handhabung, die eine schnellere Installation vor Ort ermöglichen, insbesondere in Regionen mit komplexer Topografie oder wo eine rasche Bereitstellung unerlässlich ist. Sie sind bis zu Vorlauftemperaturen von 95 °C einsetzbar und damit hervorragend für Niedrigenergie- bis Mitteltemperaturanwendungen in Netzen der vierten Generation geeignet.

Die Auslegung von Wärmenetzen hat einen großen Einfluss auf die Gesamteffizienz und Wirtschaftlichkeit von Fernwärmesystemen. Wichtige Parameter wie Systemtemperaturen und Massenströme beeinflussen sowohl die Wärmeverluste als auch den Leistungsbedarf der Netzpumpen. Durch die Senkung der Vor- und Rücklauftemperaturen werden die Wärmeverteilungsverluste reduziert. Gleichzeitig ermöglicht die Erhöhung der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf die Verwendung kleinerer Rohrdurchmesser. Dies reduziert nicht nur die Wärmeverluste weiter, sondern führt auch zu deutlich geringeren Investitionskosten.

Bei Niedertemperaturnetzen ist eine optimierte Planung besonders wichtig, da die Spielräume bei Temperatur und Druck geringer sind als bei konventionellen Hochtemperaturnetzen. Neubaugebiete mit klar abgegrenzten Teilnetzen bieten ideale Bedingungen für die Umsetzung von 4GDH-Systemen.

Im Vergleich zu Stahlrohren haben Polymerrohre eine wesentlich glattere Innenfläche (Oberflächenrauheit von 0,007 mm bei PE-Xa gegenüber 0,1 mm bei Stahl) und sind über ihre gesamte Lebensdauer hinweg äußerst widerstandsfähig gegen Ablagerungen, Korrosion oder Erosion. Die geringe Oberflächenrauheit ermöglicht höhere Strömungsgeschwindigkeiten bei geringeren Druckverlusten. Dadurch können Spitzenlasten mit kleineren Rohrdurchmessern abgedeckt werden, sodass das Netz näher an den durchschnittlichen Winterwärmebedarf (typischerweise 60–70 Prozent der Spitzenlast) dimensioniert werden kann. Dies führt zu einer verbesserten Netzsteuerung und -regelung sowie zu geringeren Wärmeverlusten.

Der Wärmeverlust in einem Verteilungsnetz wird in erster Linie durch den Massenstrom, die Vor- und Rücklauftemperaturen, die Qualität der Wärmedämmung (ihre Dicke und ihr Zustand) und die Umgebungstemperatur bestimmt, die von der Art der Installation abhängt.

Die folgende Tabelle veranschaulicht anhand eines typischen Inselsystems mit einer Trassenlänge von 1 km den Einfluss unterschiedlicher Vor- und Rücklauftemperaturen auf den jährlichen Wärmeverlust. Eine Reduzierung der Betriebstemperaturen führt zu erheblich niedrigeren Wärmeverlusten und erleichtert zugleich die Einbindung erneuerbarer Wärmequellen. Polymerbasierte Rohrsysteme ermöglichen zudem – sofern die Druckverhältnisse es zulassen – eine unkomplizierte und anpassungsfähige Erweiterung bestehender Wärmenetze.

Untersuchungen an bestehenden und neuen Versorgungsgebieten zeigen: Laut dem Technologieprogramm für Fernwärme und -kälte der Internationalen Energieagentur (IEA DHC) können durch niedrigere Systemtemperaturen die Netzverluste bestehender Systeme um bis zu 50 Prozent reduziert werden. Bei Neubauten ermöglichen Rohrsysteme der Dämmserie 3 gemäß EN 253 im Vergleich zur Serie 1 über 30 Prozent geringere Netzverluste. 

Hinsichtlich der thermischen Leistung gelten Stahlrohre mit PUR-Dämmung als industrieller Benchmark. Die Norm EN 253 unterscheidet zwischen den Dämmserien 1, 2 und 3, wobei höhere Serien für dickere Dämmschichten und geringere Wärmeverluste stehen. Die Firma Armacell hat die Wärmeverluste von drei typischen vorisolierten Rohrsystemen analysiert. Dazu gehören Stahlrohre mit Dämmung der Serie 1 sowie zwei polymerbasierte Systeme von Armacell: AustroPUR, das der Dämmserie 2 entspricht, und AustroPUR Plus, das der Serie 3 entspricht. 

Der Vergleich zeigt, dass eine Erhöhung der Dämmstoffdicke bei allen Rohrtypen zu einer ähnlichen Verringerung des Wärmeverlusts führt. Mit PUR-Schaum gedämmte Rohrsysteme erzielen jedoch deutlich geringere Wärmeverluste als PE/XPE-gedämmte Systeme, was ihre Eignung für hocheffiziente Anwendungen unterstreicht.

Rückmeldungen von Baustellen zeigen, dass AustroPUR ein hohes Maß an Flexibilität bietet: Die Biegefähigkeit liegt um bis zu 50 Prozent über dem vergleichbaren PUR-System mit gleicher Dämmstärke und PE-Xa-Rohren. Dies erleichtert die Handhabung und Installation vor Ort erheblich, insbesondere bei schwierigen Verlegungsbedingungen. 

Neben seinem AustroPUR-Sortiment bietet Armacell AustroPEX an, das typischerweise in Niedertemperaturnetzen oder in Systemen mit kostengünstigen Energiequellen eingesetzt wird. Es wurde für maximale Flexibilität entwickelt und wird insbesondere von Installateur*innen in engen Grabenverhältnissen und zum Anschluss dezentraler Wärmequellen wie Wärmepumpen bevorzugt. Beide Systeme verwenden eine auf dem Markt weit verbreitete Pressverbindungstechnologie. Sie gilt als sichere und langlebige Lösung mit bewährter Langzeitleistung sowohl im Außen- als auch im Innenbereich.

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Die Vorteile flexibler Rohrsysteme ergeben sich aus mehreren typischen Eigenschaften. Diese Systeme sind in Lieferlängen von bis zu 550 m für Einzelrohre und bis zu 260 m für Doppelrohr-Konfigurationen erhältlich. Je nach Rohrdimension reichen die Mindestbiegeradien von 0,25 m bis 1,4 m, was die einfache Verlegung vor Ort ermöglicht. Durch die selbstkompensierende Konstruktion der Rohre sind keine zusätzlichen Dehnungselemente erforderlich, und die Verbindungstechnik ist unkompliziert, was die Installationszeit verkürzt. 

Darüber hinaus minimiert die Verwendung schmaler Rohrgräben die Aushubarbeiten und die damit verbundenen Kosten. Diese Eigenschaften ermöglichen eine bis zu fünfmal schnellere Verlegung als mit herkömmlichen Stahlrohrsystemen. Das Kosteneinsparpotenzial beim Rohrleitungsbau ergibt sich vor allem aus dem geringeren Personalbedarf bei der Verlegung und den niedrigeren Tiefbaukosten. In der Praxis lassen sich die Gesamtkosten so um bis 20 Prozent reduzieren und die Bauzeit erheblich verkürzen.

Im Vergleich zu Stahl sind flexible Polymerrohre korrosionsbeständig, was den Bedarf an kontinuierlicher Überwachung erheblich reduziert. Die Integration eines permanenten Leckageerkennungssystems, wie es üblicherweise bei vorisolierten Stahlrohren zum Einsatz kommt, ist mit hohen zusätzlichen Kosten verbunden und rentiert sich bei polymerbasierten Netzen kaum. Daher werden solche Systeme beim Einsatz flexibler Polymerrohrsysteme, wo aufgrund der inhärenten Korrosionsbeständigkeit des Materials andere Anforderungen an die Überwachung bestehen, nicht in großem Umfang eingesetzt. Bislang hat sich die thermografische Inspektion als effizienteste und effektivste Methode zur Lecksuche in diesen Systemen erwiesen.

Neben Temperatur- und Druckwerten ist die Langzeitleistung ein wichtiger Faktor bei der Bewertung von Rohrleitungssystemen. Bei Polymerrohren wie PE-X, faserverstärktem PE-X und PB-1 hat die Betriebstemperatur einen direkten Einfluss auf die Lebensdauer. Die Norm EN 15632 bietet eine nützliche Referenz für die Bewertung der Lebensdauer von PE-X-, PB- und Mehrschichtrohren unter verschiedenen Bedingungen. Niedertemperatur-Wärmenetze sind besonders günstig für Polymer-Trägerrohre, deren Lebensdauer unter geeigneten Bedingungen bis zu 100 Jahre betragen kann.

Der rasante Ausbau der Fernwärmeversorgung stellt Kommunen vor große Herausforderungen, insbesondere hinsichtlich der Installationsgeschwindigkeit und der Infrastrukturkosten. Flexible vorisolierte Polymerrohrsysteme bieten praktische Vorteile. Ihre langen Lieferlängen und ihre hohe Flexibilität minimieren die Anzahl der Verbindungen und ermöglichen schmalere Gräben, wodurch sich die Bauarbeiten reduzieren und bis zu 80 Prozent der Installationszeit einsparen lassen. Bei Dauerbetriebstemperaturen unter 70 °C erreichen diese Systeme eine Lebensdauer von bis zu 100 Jahren und eignen sich damit besonders für die niedrigeren Temperaturprofile der Fernwärme der vierten Generation. Armacell Austria bietet ein auf die Anforderungen moderner Wärmenetze zugeschnittenes Produktportfolio und verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung.