CO₂ wird heute mehrheitlich als Problem gesehen, weil seine Freisetzung aus fossilen Quellen die Hauptursache der Klimaerwärmung ist. Es kann aber auch Teil der Lösung sein, indem es zum Beispiel als natürliches Kältemittel in Wärmepumpen zum Einsatz kommt. Bei einem Pilotprojekt im Wallis wird nun ein weiterer positiver Einsatzzweck von Kohlenstoff­dioxid unter die Lupe genommen: Es dient in einem Niedertemperaturnetz respektive Anergienetz (siehe Ausklappelement) als Trägermedium. Wie funktioniert das? Und welche Vorteile verspricht man sich davon?

CO₂ als Trägermedium

In den meisten thermischen Netzen kommt Wasser als Trägermedium für die thermische Energie zum Einsatz. Das hat gute Gründe: Es ist kostengünstig, praktisch überall verfügbar sowie aus Klima- und Umweltsicht unbedenklich.

Nachteile von Wasser

Weil Wasser jedoch im Vergleich zu anderen Stoffen weniger Wärme aufnehmen kann, müssen die Rohrleitungen von thermischen Netzen recht gross sein, damit genug Wasser durchfliessen kann. Zusammen mit der erforderlichen Dämmung sind die Rohre deshalb bis zu 40 Zentimeter dick, was ziemlich viel ist angesichts des begrenzten Platzes im Untergrund. Da Wasser bereits bei 0 °C zu gefrieren beginnt, müssen die Leitungen auch ausreichend tief verlegt werden, damit sie frostsicher sind. All dies führt dazu, dass das Planen und Umsetzen von Leitungen für neue thermische Netze insbesondere in städtischen Gebieten häufig aufwendig, langwierig und kostspielig ist.

Vorteile von CO₂ für Bau und Betrieb

CO₂ hat im Vergleich zu Wasser einige Eigenschaften, die beim Einsatz als Trägermedium von Vorteil sind. Es befindet sich dabei in einem System, in dem es vom flüssigen in den gasförmigen Zustand und zurück wechselt. Seine Wärmespeicherfähigkeit ist höher als diejenige von Wasser, wodurch weniger Masse durch die Leitungen gepumpt werden muss. Das senkt den Energiebedarf und erlaubt bis zu zwei Drittel kleinere Durchmesser als bei Wasserrohren.

Vorteilhaft ist ferner, dass CO₂ erst bei –78,5 °C gefriert. Damit ist es in unseren Breitengraden problemlos möglich, die Leitungen nahe an der Oberfläche einzubauen. Kurzum: Das Planen und Verlegen von Rohren ist mit CO₂ als Trägermedium flexibler, schneller und tendenziell auch günstiger. Zu beachten ist, dass das CO₂-Netz einen recht hohen Betriebsdruck von etwa 50 bar benötigt. Aus diesem Grund kommen besonders druckresistente Rohre zum Einsatz.

So funktioniert das CO₂-Anergienetz

In der Theorie gibt es also verschiedene Vorteile, wenn CO₂ anstelle von Wasser als Trägermedium im Einsatz ist. Inwiefern dies für die Praxis zutrifft, wird in einem Projekt im Wallis überprüft.

Pilotprojekt auf Campus

Auf dem von mehreren Institutionen genutzten Hochschulcampus «Energypolis» in Sion befinden sich unter anderem Gebäude der Fachhochschule HES-SO Valais-Wallis und der EPFL Wallis. Drei Immobilien sind seit 2022/2023 an ein neu erstelltes Anergienetz angeschlossen, das auf CO₂ als Trägermedium basiert. Das Anergienetz nutzt Grundwasser mit einer Temperatur von 10 bis 12 °C als Energiequelle. Es wird in einer Zentrale über Brunnen gefasst. Ein Wärmetauscher überträgt die Energie vom Grundwasser auf das Netz. Es besteht aus zwei Kreisläufen, von denen einer mit flüssigem CO₂ und einer mit gasförmigem CO₂ gefüllt ist.

Der Heizkreislauf

In jenem Kreislauf, der fürs Beheizen genutzt wird, wird gasförmiges CO₂ von der Zentrale zu den Gebäuden geführt (siehe Schema 1). Die Wärmepumpe in der Unterstation des Gebäudes entzieht dem CO₂ thermische Energie, bis es kondensiert. Bei diesem Phasenwechsel von gasförmig zu flüssig wird viel Wärme freigesetzt, die von der Wärmepumpe an den Heizkreislauf des Gebäudes übertragen wird. Das flüssige CO₂ gelangt zurück zur Zentrale, wo ihm Wärme aus dem Grundwasser zugeführt wird. Dadurch verdampft es wieder und kann seine «Reise» durch den Heizkreislauf in gasförmigem Zustand erneut antreten.

Der Kühlkreislauf

Zur Abkühlung eines Gebäudes kommt der Kühlkreislauf (siehe Schema 2) zum Einsatz, bei dem die Prozesse umgekehrt ablaufen wie beim Heizkreislauf. Flüssiges CO₂ gelangt zur Unterstation, wo es Wärme aus dem Gebäude aufnimmt und dadurch verdampft. Sofern die gespeicherte Wärme nicht in einer anderen Immobilie zum Heizen benötigt wird, gelangt das gasförmige CO₂ zurück in die Zentrale. Dort übergibt es die thermische Energie via Wärmetauscher ans Grundwasser, kühlt dabei ab und verflüssigt sich wieder. Der Kreislauf kann von Neuem beginnen.

Wichtige Erkenntnisse

Nach zwei Betriebsjahren lässt sich eine erste Bilanz ziehen, wie gut das innovative Anergienetz funktioniert. Gemäss HES-SO Valais-Wallis läuft das Netz effizient, zuverlässig und autonom, die Wartungskosten sind angemessen. Man profitiert wirtschaftlich davon, das Anergienetz mit CO₂ als Trägermedium statt mit Wasser zu betreiben: Weil weniger Volumen durch das Netz befördert werden muss, wird weniger Pumpenergie gebraucht, was wiederum die Betriebskosten senkt. Als Vorteil nennt die Hochschule ferner, dass sich die Abwärme eines angeschlossenen Rechenzentrums im Winter zur Beheizung der anderen Bauten nutzen lässt. Daneben wird weiter daran geforscht, die Technik zu optimieren. Derzeit konzentrieren sich die Fachleute hauptsächlich auf die Konstruktion der Umwälzpumpen, um den Stromverbrauch weiter zu senken und die Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Nächstes Projekt in Freiburg

Die Firma «ExerGo», die das Konzept des CO₂-Anergienetzes entwickelt hat, konnte aufgrund der Erfahrungen in Sion einige technische Aspekte bei der Steuerung und Zirkulation des CO₂ im Netz optimieren. Sie vermarktet das Konzept mittlerweile in verschiedenen europäischen Ländern.

Energie aus dem Schiffenensee

Bereits in der Bauphase befindet sich ein Projekt in Freiburg, wo das bestehende Fernwärmenetz künftig durch thermische Energie aus dem Schiffenensee mitversorgt werden soll. Den Transport dieser Energie von der Seewasserfassung zur höher gelegenen Energiezentrale übernimmt ein CO₂-Kreislauf. Er transportiert die thermische Energie effizienter als ein vergleichbarer Kreislauf mit Wasser als Trägermedium. Die Infrastrukturkosten sind tiefer, weil der Leitungsbau weniger Platz benötigt. Vor allem aber sind die Betriebskosten viel geringer, weil das CO₂ trotz – oder besser gesagt dank – des Höhenunterschieds selbstständig von der Fassung zur Zentrale gelangt. Wie funktioniert das?

Selbständige Zirkulation

Der CO₂-Kreislauf nutzt den sogenannten Thermosiphon-Effekt. Dieser basiert darauf, dass ein Medium durch Erwärmung aufgrund der geringeren Dichte aufsteigt und durch Abkühlung wegen der höheren Dichte wieder absteigt. Im konkreten Fall übergibt ein Wärmetauscher die thermische Energie aus dem Seewasser an den CO₂-Kreislauf (rechts in der Grafik). Dadurch wird das flüssige CO₂ erwärmt, bis es verdampft. Das gasförmige CO₂ steigt selbständig nach oben, bis es die Energiezentrale erreicht. Dort entzieht ein Wärmetauscher dem CO₂ die thermische Energie, die anschliessend als Energiequelle für die Wärmepumpen dient, die das Fernwärmenetz versorgen. Das CO₂ kühlt sich ab, verflüssigt sich und fliesst nach unten zur Seewasserfassung, wo der Kreislauf von Neuem beginnt. Würde man Wasser als Trägermedium nutzen, müsste man bei den aktuellen Strompreisen für den Betrieb der Pumpen mit Kosten von bis zu 150’000 Franken pro Jahr rechnen. Kein Wunder, ist CO₂ für einen solchen Anwendungsfall eine sehr attraktive Alternative.