ES04 · Quartier mit PV, Wärmepumpe und Wärmenetz (Theorie)

🏠 Fallstudie: Quartier mit PV, Wärmepumpe und Wärmenetz

Ausgangslage: Ein Wohn- und Mischquartier soll energetisch neu aufgestellt werden. Die Kommune erwartet niedrige Wärmekosten, hohe CO₂-Minderung, begrenzte Stromnetzbelastung und eine technisch robuste Lösung für mehrere Gebäudetypen.

Entscheidungsfrage: Soll das Quartier über dezentrale Wärmepumpen, ein klassisches Wärmenetz, ein kaltes Nahwärmenetz, PV-Mieterstrom oder eine hybride Kombination versorgt werden?

Rolle der Studierenden

Die Studierenden handeln als Planungsteam für Kommune, Wohnungswirtschaft und Energieversorger. Sie müssen technische Plausibilität, Kosten, CO₂-Wirkung und Akzeptanz zusammenführen.

Handlungsprodukt

Ein begründeter Quartiersversorgungs-Vorschlag mit Systembild, Modellrechnung, Szenarienvergleich, Entscheidungsmatrix und klar benannten Modellgrenzen.

Kompetenzkern

Die Lernenden erkennen, dass Quartierslösungen nicht aus Einzelanlagen bestehen, sondern aus Lastprofilen, Netzen, Speichern, Regelung und Nutzerverhalten.

Leitidee der Unit

PV und Wärmepumpen senken nicht automatisch die Systemkosten. Entscheidend ist, ob Stromerzeugung, Wärmelast, Temperaturniveau, Speicher, Netzanschluss und Anschlussquote zusammenpassen. ES04 führt diese Abhängigkeiten in einem bewusst vereinfachten Simulationsmodell zusammen.

🧭 Systembild des Quartiers

Das Quartier wird als gekoppeltes Strom-Wärme-System betrachtet. Die Darstellung unterscheidet elektrische Energieflüsse, Wärmeflüsse, kalte Quellkreise und digitale Betriebsführung.

Technische Funktionskette

PV erzeugt elektrische Energie auf Dachflächen und versorgt Haushaltsstrom, Wärmepumpen, Speicher und Ladepunkte.
Wärmepumpen heben Umwelt-, Abwärme- oder Erdreichwärme auf nutzbares Temperaturniveau.
Ein Wärmenetz verteilt Wärme zentral oder ein kaltes Nahwärmenetz verteilt Quellwärme für dezentrale Wärmepumpen.
Thermische Speicher entkoppeln Wärmeerzeugung und Wärmebedarf über Stunden bis Tage.
Das Quartiers-EMS koordiniert Erzeugung, Last, Speicher und Netzanschlusspunkt.

📊 Datenbasis der Quartiersentscheidung

Eine Quartiersentscheidung benötigt technische, wirtschaftliche und soziale Daten. Durchschnittswerte reichen für eine erste Simulation, ersetzen aber keine Lastgang-, Gebäudebestands- und Netzanschlussanalyse.

Datenfeld	Benötigte Größen	Typische Planungsfrage
Gebäudebestand	Wohnfläche, Baualter, Sanierungsstand, Heizlast, Warmwasserbedarf.	Ist das Temperaturniveau niedrig genug für effiziente Wärmepumpen?
PV-Potenzial	Dachfläche, Ausrichtung, Verschattung, Netzanschluss, Eigenverbrauchsprofil.	Wie viel PV-Strom kann im Quartier sinnvoll selbst genutzt werden?
Wärmenetz	Trassenlänge, Wärmedichte, Vorlauf/Rücklauf, Anschlussquote, Pumpstrom.	Lohnt sich ein Netz gegenüber dezentralen Einzellösungen?
Wärmepumpen	Quellentemperatur, Nutztemperatur, COP/JAZ, Schall, Aufstellfläche.	Wird die Stromlast durch Wärmepumpen netzverträglich?
Speicher	Wärmespeicherinhalt, Batteriekapazität, Ladeleistung, Verluste.	Welche Speicher entkoppeln Last und Erzeugung wirksam?
Wirtschaft	Investition, Strompreis, Wärmepreisziel, Betriebskosten, Förderung.	Welche Variante ist für Nutzer und Betreiber tragfähig?
Akzeptanz	Mieterstrommodell, Baustellenbelastung, Anschlusszwang, Tariftransparenz.	Welche Lösung ist nicht nur technisch, sondern auch sozial realisierbar?

Wärmeleistung: Q̇ = ρ · cₚ · V̇ · ΔT | Wärmepumpe: COP = Q̇_th / P_el

PV-Jahresertrag ≈ P_PV · spezifischer Ertrag | Netzlast ≈ Haushaltsstrom + WP-Strom + Ladebedarf − PV-Eigenverbrauch

Planungsgrenze: Eine hohe PV-Leistung ist nur dann systemdienlich, wenn Eigenverbrauch, Speicher, Wärmepumpenbetrieb und Netzanschluss gemeinsam betrachtet werden.

⚙️ Interaktives Simulationsmodell

Das Modell bildet ein Quartier vereinfacht über Jahreswerte ab. Es zeigt Zielkonflikte zwischen PV-Ausbau, Wärmepumpenstrom, Wärmenetzkosten, CO₂-Minderung, Investition und Netzbelastung.

Wohn-/Nutzfläche 55.000 m²

Spezifischer Wärmebedarf 85 kWh/m²a

PV-Leistung 3,5 MWp

Anschlussquote Wärmenetz 65 %

Netztemperatur Vorlauf 55 °C

Quellentemperatur WP 8 °C

Wärmespeicher 850 MWhₜₕ

Batteriespeicher 4 MWh

Strompreis WP/Quartier 170 €/MWh

CO₂-Faktor Strombezug 330 kg/MWh

Wärmepumpen-JAZ

0,0

WP-Strom: 0 GWh/a

PV-Eigenverbrauch

0 %

PV-Ertrag: 0 GWh/a

CO₂-Minderung

0 %

Emissionen: 0 t/a

Investition

0 Mio. €

Wärmekostenindikator: 0 €/MWh

Interpretation des aktuellen Modells

🔀 Szenarienvergleich

Die Szenarien setzen typische Parameterkombinationen. Danach kann im Reiter Simulation weiter variiert werden.

Szenario	Leitidee	Typische Stärke	Typisches Risiko
Bestand	Fossile oder bestehende Wärmeversorgung bleibt weitgehend unverändert.	Geringer kurzfristiger Eingriff.	CO₂- und Preisrisiken bleiben bestehen.
Dezentrale WP	Jedes Gebäude erhält eine eigene Wärmepumpe.	Modular und ohne Wärmetrasse umsetzbar.	Hohe Gleichzeitigkeit kann das Stromnetz belasten.
Klassisches Wärmenetz	Zentrale Erzeugung, mittleres bis höheres Temperaturniveau, Übergabestationen.	Gut bei hoher Wärmedichte und hoher Anschlussquote.	Trassenkosten und Netzverluste können dominieren.
Kaltes Nahwärmenetz	Niedertemperatur-Quellnetz mit dezentralen Wärmepumpen.	Niedrige Verluste, gute Einbindung von Erdreich, Abwärme und Solarthermie.	Erfordert geeignete Quellen und Gebäude-Wärmepumpen.
PV-Mieterstrom	PV wird stark ausgebaut und direkt im Quartier genutzt.	Senkt Strombezug und verbessert WP-Bilanz.	Rechts-, Abrechnungs- und Betreiberlogik müssen sauber gelöst werden.
Hybridquartier	PV, Wärmepumpen, Wärmenetz, Speicher und EMS werden gemeinsam optimiert.	Hohe CO₂-Minderung und robuste Zielbalance.	Planungs- und Koordinationsaufwand steigt.
Winter-Stressfall	Kalte Periode mit niedriger PV-Erzeugung und hoher Wärmelast.	Prüft Netzanschluss, Reserve und Speicherstrategie.	Extremfall darf nicht mit Jahresmittel verwechselt werden.

Didaktischer Kern: Quartierskonzepte werden nicht durch eine Lieblingsanlage entschieden. Entscheidend ist die Passung von Gebäudebestand, Temperaturniveau, Wärmedichte, Netzanschluss, Betreiberfähigkeit und Nutzerakzeptanz.

📈 Mehrkriterienbewertung

Eine Quartierslösung wird über mehrere Kriterien bewertet. Niedrige CO₂-Werte reichen nicht aus, wenn Netzanschluss, Tarifmodell oder Anschlussquote nicht tragfähig sind.

Kosten

Kostenbewertung wird aus Investition, Strompreis und Wärmekostenindikator abgeleitet.

CO₂

CO₂-Bewertung wird aus Strombezug, PV-Eigenverbrauch und Wärmepumpenstrom berechnet.

Netz und Betrieb

Netzbewertung wird aus Wärmepumpenlast, PV-Ausbau, Batterie und Speicher abgeleitet.

Umsetzbarkeit

Umsetzbarkeit wird aus Anschlussquote, Komplexität und Temperaturanforderung bewertet.

Bewertungsmatrix für den Quartiersbericht

Kriterium	Bewertungsfrage	Nachweis im Bericht
Gebäudeeignung	Passen Heizlast, Vorlauftemperatur und Sanierungsstand zur gewählten Lösung?	Gebäudesteckbrief, Temperaturpfad, Wärmelast.
Netzintegration	Kann das Stromnetz Wärmepumpen, PV und Ladepunkte aufnehmen?	Netzanschlusspunkt, Spitzenlast, Speicherwirkung.
Wirtschaftlichkeit	Sind Investition, Betreiberstruktur und Wärmepreis plausibel?	Investitionsrahmen, Wärmekostenindikator, Sensitivität.
CO₂-Wirkung	Welche Emissionen werden gegenüber dem fossilen Referenzsystem vermieden?	Basisfall, Zielvariante, Strommixannahme, PV-Eigenverbrauch.
Akzeptanz und Governance	Verstehen Eigentümer, Mieter und Betreiber die Lösung und ihre Kostenlogik?	Betreibermodell, Tariflogik, Kommunikationsplan.

🧾 Managemententscheidung

Die Empfehlung soll eine technisch begründete, wirtschaftlich plausible und sozial umsetzbare Quartiersstrategie formulieren.

Struktur einer belastbaren Empfehlung

Entscheidungssatz: Welche Quartiersvariante wird empfohlen?
Technische Begründung: Warum passen Wärmelast, Temperaturniveau, PV, Speicher und Netz zusammen?
Wirtschaftliche Begründung: Welche Investition und welcher Wärmekostenindikator ergeben sich?
CO₂- und Netzbegründung: Welche Emissionen und Lastspitzen werden reduziert oder verlagert?
Umsetzungslogik: Welche Maßnahme kommt zuerst: Gebäudedaten, Sanierung, PV, Wärmeerzeugung, Speicher oder Netz?
Grenzen: Welche Daten müssen vor realer Planung nachgeschärft werden?

Empfohlene Grundlogik: Zuerst Gebäudedaten und Temperaturniveau sichern, dann PV- und Netzanschlusspotenzial prüfen, danach Wärmelösung und Speicher dimensionieren. Eine Quartierslösung ohne Datenmodell bleibt eine Behauptung.

🔍 Modellgrenzen und Transfer

Was das Modell leistet

Es verbindet Gebäudelast, PV, Wärmepumpe, Wärmenetz, Speicher und CO₂-Bilanz.
Es macht Zielkonflikte zwischen Investition, Temperatur, Netzlast und CO₂ sichtbar.
Es unterstützt den Vergleich von dezentralen, zentralen und hybriden Versorgungspfaden.
Es zwingt zur Entscheidung unter Annahmen statt zur isolierten Einzelrechnung.

Was das Modell nicht leistet

Es ersetzt keine hydraulische Netzberechnung.
Es bildet keine stündlichen Lastgänge und Gleichzeitigkeiten detailliert ab.
Es ersetzt keine Gebäudesimulation, Schallschutzprüfung oder Genehmigungsplanung.
Es enthält keine verbindliche Fördermittel-, Mieterstrom- oder Vertragsprüfung.

Transferfragen

Wann ist ein Wärmenetz gegenüber dezentralen Wärmepumpen technisch und wirtschaftlich plausibel?
Wie verändert ein sinkendes Temperaturniveau die Effizienz der Wärmepumpe und die Netzverluste?
Warum kann hohe PV-Leistung ohne Lastverschiebung zu begrenztem Zusatznutzen führen?
Welche Daten müssen erhoben werden, bevor eine Kommune eine reale Quartiersentscheidung trifft?