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Aug 04, 2023

Lösungsdatei: Toronto's District Energy

Von Charles Schilke 9. Dezember 2022 Torontos Tiefsee-Wasserkühlsystem

Von Charles Schilke

9. Dezember 2022

Das Tiefsee-Wasserkühlsystem von Toronto ist ein Beispiel für die „dritte Welle“ städtischer Energie.

Mit seinem Deep-Lake-Wasserkühlungssystem ist Toronto in der Lage, jährlich 55 Megawatt Energie aus dem Netz zu beziehen. Das System nutzt kaltes Wasser am Grund des Ontariosees, um Krankenhäuser, Rechenzentren, Bildungsgelände sowie Regierungs-, Gewerbe- und Wohngebäude zu kühlen.

Als Nordamerikas viertgrößte und am schnellsten wachsende Großstadt treibt Toronto einen robusten und dennoch CO2-armen Ausbau seiner Energiekapazität voran. Mithilfe ihres Deep-Lake-Water-Cooling-Systems (DLWC) ist die Stadt in der Lage, jährlich 55 Megawatt Energie aus dem Netz zu beziehen – genug, um acht Krankenhäuser mit Strom zu versorgen.

Um diese Ergebnisse zu erzielen, nutzt DLWC kaltes Wasser am Grund des Ontariosees, um Krankenhäuser, Rechenzentren, Bildungsgelände sowie Regierungs-, Gewerbe- und Wohngebäude zu kühlen. DLWC verbraucht weniger als ein Zehntel der Energie, die für eine herkömmliche Klimaanlage erforderlich ist.

DLWC, das weltweit größte seebetriebene Kühlsystem, wird von der in Toronto ansässigen Enwave Energy Corporation, einem vollständig integrierten Fernenergieunternehmen, betrieben und wurde 2004 für die Stadt mit Kosten von 230 Millionen Kanadischen Dollar (179 Millionen US-Dollar) in Betrieb genommen. Zusammen mit den anderen Fernenergiesystemen von Enwave in Toronto dient DLWC als Prisma, um den Hintergrund und den Status der Fernenergie im Allgemeinen zu verstehen.

Drei Wellen städtischer Energie

Im Gegensatz zur zentralisierten Energieerzeugung und -verteilung an entfernte Endverbraucher wird Fernenergie von kleinen lokalen Energieerzeugern erzeugt und von unmittelbar benachbarten Endverbrauchern genutzt.

Fernando Carou, Manager für erneuerbare Energien und Netto-Null-Entwicklung für die Stadt Toronto, blickt langfristig auf die Herkunft und Entwicklung der Fernwärme zurück. Er sieht die heutige Fernenergie als „die dritte Welle der städtischen Energie“. Die drei Wellen sind wie folgt:

Lokal erzeugte Fernenergie ist aufgrund eines Grundprinzips der Physik effizienter und weniger umweltschädlich als Energie, die in einer entfernten Großanlage erzeugt wird: Widerstand. Wenn Strom über ein Übertragungsmedium wie Drähte fließt, verlangsamt das Kupfermetall der Drähte die Übertragungsgeschwindigkeit oder „widersteht“ der Übertragung elektrischer Energie, wodurch bis zu 60 Prozent der erzeugten Energie verschwendet werden.

Je größer die Distanz, die die Energie zurücklegt, desto mehr Energie geht durch Widerstand verloren. Je kürzer die Distanz, desto weniger Energie geht verloren.

Dadurch legt lokal erzeugte Fernenergie eine kürzere Strecke zurück, stößt auf weniger Widerstand, verschwendet weniger Energie, verursacht weniger Umweltverschmutzung und ist effizienter.

Bei der Entscheidung des Immobilienentwicklers für Fernwärme müssen drei Faktoren berücksichtigt werden: 1) die Kapitalkosten von Fernwärme im Vergleich zu einem großen zentralen Kraftwerk, 2) die betrieblichen Einsparungen von Fernwärme im Vergleich zu einem großen zentralen Kraftwerk und 3) die Platzeinsparungen durch Fernwärme im Vergleich zu einzelnen Gebäuden.

Das Toronto-Dominion Centre, das aus sechs Türmen und einem Pavillon besteht, der mit bronzefarbenem Glas und schwarzem Stahl verkleidet ist, ist das größte Ensemble von Bürogebäuden in Kanada und einer der ersten Anwender des Deep-Lake-Wasserkühlungssystems. Im Gegensatz zur zentralisierten Energieerzeugung und -verteilung an entfernte Endverbraucher wird Fernenergie von kleinen lokalen Energieerzeugern erzeugt und von unmittelbar benachbarten Endverbrauchern genutzt. (Bildnachweis: David MacMillan)

Keine Einheitsgröße für alle

Fernwärme gibt es in vielen Größen, die den Entwicklern unterschiedliche Möglichkeiten bieten. Der entsprechende Bezirk könnte nur zwei oder mehr Gebäude oder ein großes Gebiet wie das DLWC-Systemversorgungsgebiet umfassen.

Sowohl die Größe des Bezirks als auch die Art des Eigentums und der Kontrolle des Bezirks bestimmen die Art der Entscheidung des Immobilienentwicklers darüber, ob und wie er Bezirksenergie nutzt.

Wenn der Bezirk klein ist, kann der Immobilienentwickler das Energiesystem des Bezirks direkt entwerfen und bauen und dadurch weitgehende Kontrolle über das System haben, einschließlich der Fähigkeit, Energie selbst zu erzeugen, was für geschäftskritische Anwendungen wie Krankenhäuser von entscheidender Bedeutung ist und Rechenzentren. Das System dürfte völlig privat sein.

Aber wenn der Bezirk groß ist, wie zum Beispiel im Versorgungsgebiet des DLWC-Systems, hat der Entwickler relativ wenig Kontrolle über das System und ist daher ein „Nehmer“ des Energiesystems des Bezirks. In diesem Fall ist das System normalerweise öffentlich – oder wird von einem privaten Unternehmen wie Enwave im Auftrag der Öffentlichkeit betrieben.

Das Kraft-Wärme-Kopplungskraftwerk Pearl Street von Enwave ist eines von zwei großen Kesselkraftwerken, die das Heizsystem von Enwave in der Innenstadt von Toronto versorgen. Der nutzbare Anlagenraum war dort erheblich eingeschränkt. (David MacMillan)

Zusammenhalten

Wenn sich mehrere Immobilienentwickler darin einig sind, dass es sich lohnt, Fernwärme in ihrem Marktgebiet voranzutreiben, möchten sie sich möglicherweise zusammenschließen, um bei der jeweiligen Gemeinde für ein effektives Fernenergiesystem zu werben.

Obwohl dies viel langsamer ist als ein privater Prozess, verschafft dies, wenn die Einsparungen eines Fernenergiesystems wie bei DLWC sehr groß sind, einen erheblichen Wettbewerbsvorteil gegenüber anderen Stadtteilen oder Städten, und es kann sich lohnen, dies zu verfolgen.

Immobilienentwickler, Ingenieure, politische Führer und andere schlossen sich zusammen, um das DLWC-System zu schaffen. Wie Richard Joy, Geschäftsführer des ULI Toronto, betont, ist das DLWC-System geologisch möglich, weil der Unterwasserschelf, der sich vom Festland Toronto aus erstreckt, schnell abfällt und kaltes, tiefes Wasser ungewöhnlich nahe an Kundengebäuden verfügbar macht. Wenn das Gefälle des Unterwasserschelfs relativ flach ist, ist eine Abkühlung des Tiefseewassers nicht möglich. Das DLWC-System bietet eine ausgelagerte Alternative zu herkömmlichen Kühltürmen und -geräten und spart bei großen Gebäuden erhebliche Kapital- und Betriebskosten.

Im Vergleich zu einer Kältemaschine kann das DLWC-System den Stromverbrauch um etwa 80 Prozent senken. Das Kühlsystem ist eine saubere, erneuerbare und zuverlässige Energiequelle. Das DLWC-System reduziert außerdem den Wasserverbrauch und die Betriebskosten, sorgt für vorhersehbarere Energiekosten und verbessert die Widerstandsfähigkeit.

Das System verwendet drei große Rohre, die drei Meilen (5 km) in den Ontariosee bis zu einer Tiefe von 272 Fuß (83 Meter) führen. Das Wasser hat dort eine konstante Temperatur von 39 Grad F (4 Grad C) und wird zur Filteranlage von Toronto Water und dann zu einer Pumpstation am Seeufer geleitet. Dort übertragen große Wärmetauscher thermische Energie zwischen den Systemen: Das Trinkwasser für die Stadt wird minimal erwärmt, während das Wasser für die Gebäude in der Innenstadt gekühlt wird. Nachdem das gekühlte Wasser durch die Gebäude zirkuliert und diese gekühlt hat, recycelt Enwave die Wärme und führt das warme Wasser zur Pumpstation zurück, um den Vorgang zu wiederholen.

Amy Jacobs, Senior Vice President of Commercial Operations von Enwave, weist darauf hin, dass neben der Effizienz der Seequellenkühlung selbst auch die regionale Größe des Systems die Rückgewinnung von Abwärme aus gekühlten Gebäuden ermöglicht, die für Heizzwecke genutzt wird.

Im Jahr 2019 starteten Toronto und Enwave eine Erweiterung des DLWC-Systems für 100 Millionen CAD (77,6 Millionen US-Dollar) – die Hälfte der Kosten des ursprünglichen Systems. Der Ausbau des DLWC-Angebots soll die Spitzennachfrage im Netz reduzieren, was zu Einsparungen bei der Spitzennachfrage von bis zu 70 Prozent führt. (Enwave)

Erweiterung des Systems

Im Jahr 2019 starteten Toronto und Enwave eine Erweiterung des DLWC-Systems für 100 Millionen CAD (77,6 Millionen US-Dollar) – die Hälfte der Kosten des ursprünglichen Systems. Der Ausbau des DLWC-Angebots soll die Spitzennachfrage im Netz reduzieren, was zu Einsparungen bei der Spitzennachfrage von bis zu 70 Prozent führt.

Wie Joy anmerkt, steht die Erweiterung des DLWC-Systems in engem Zusammenhang mit einem großen gemischt genutzten Projekt namens The Well. Enwave hat sich mit Riocan Real Estate Investment Trust und Allied REIT zusammengetan, um unter der Anlage eine mehrere Stockwerke hohe thermische „Batterie“ zu bauen und zu betreiben. Nachts wird dann kaltes Seewasser angesammelt, um es dann in der Hitze des Tages zur Abkühlung freizusetzen, was für eine weitere Effizienzsteigerung sorgt.

Zusätzlich zur aktuellen Systemerweiterung ist Carou zuversichtlich, dass die Stadt Toronto und Enwave künftig etwa einmal pro Jahrzehnt größere Erweiterungen des DLWC vornehmen werden, die dem wirtschaftlichen und demografischen Wachstum Torontos und der Fähigkeit zur Finanzierung dieses Wachstums entsprechen.

Torontos Ziel ist es, bis 2050 30 Prozent seiner Nutzfläche – alle Gewerbeflächen, nicht nur städtische Gebäudeflächen – an kohlenstoffarme Heizung und Kühlung anzuschließen.

Ein aktuelles Bild des neuen Ansaugrohrs des DLWC-Erweiterungsprojekts, das in den Ontariosee gezogen und versenkt wird. (Enwave)

Distriktenergie- und Versorgungsinfrastruktur

Seit ihrer ersten Entwicklung vor einem Jahrhundert wird Fernenergie in einem wachsenden Bereich der Versorgungsinfrastruktur eingesetzt, darunter Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), konventionelle Fernkühlung (außer DLWC) und Fernwärme. Zusätzlich zu DLWC betreibt Enwave alle diese Arten von Fernenergiesystemen im Großraum Toronto – ein wahres Labor für Fernenergie.

KWK nutzt Erdgas, um zwei Produkte zu erzeugen: Wärme und Strom. Herkömmliche Anlagen wandeln nur 40 Prozent der Brennstoffenergie in Strom um, während 60 Prozent der erzeugten Energie als Wärme verschwendet und abgeführt werden.

Mit einer KWK-Anlage als Teil eines Fernwärmesystems kann ein Unternehmen wie Enwave die erzeugte Wärme an seine Kunden verteilen und den Strom nutzen. Somit handelt es sich bei der Kraft-Wärme-Kopplung grundsätzlich um eine hocheffiziente Form der Fernenergie.

In einer KWK-Anlage wird Abwärme zurückgewonnen, um Dampf, Warmwasser oder Kaltwasser zum Heizen oder Kühlen eines umliegenden Netzwerks von Fernwärmegebäuden zu erzeugen. Durch die Nutzung des thermischen Nebenprodukts der Stromerzeugung erreichen KWK-Anlagen regelmäßig Brennstoffeffizienzen von 70 bis 80 Prozent – ​​viel mehr als die typischen 40 Prozent bei der reinen Stromerzeugung.

Da Wärmeenergie nicht wie Elektrizität über große Entfernungen übertragen werden kann, besteht die Hauptbeschränkung der Kraft-Wärme-Kopplung darin, dass die Erzeugung des thermischen Nebenprodukts an einem Ort in der Nähe der Endverbraucher erfolgen muss. Daher ist Fernwärme eine attraktive Lösung für dicht besiedelte Innenstädte, Universitätsgelände oder Industriebetriebe, in denen die Nachfrage nach Wärmeenergie konzentriert ist.

Aber ein KWK-System wie das von Enwave, das ans Netz angeschlossen ist und eine Gesamtleistung von vier Megawatt hat, ist für weniger konzentrierte Gemeinden im Allgemeinen unattraktiv, insbesondere an Orten mit relativ schmutzigen Stromnetzen und nicht mit den sauberen Netzen von Toronto. Durch die drastische Steigerung der Kraftwerkseffizienz reduziert die Kraft-Wärme-Kopplung die Brennstoffkosten, den CO2-Ausstoß und die Umweltverschmutzung. KWK-Fernwärmesysteme erhöhen die potenzielle thermische Belastung, reduzieren den Bedarf an Kapitalinvestitionen und sorgen für Skaleneffekte.

Das Einzugsgebiet von Enwave in Toronto umfasst die Infrastruktur für gekühltes Wasser, Dampf und Warmwasser. Enwave hat sich mit Riocan Real Estate Investment Trust und Allied REIT zusammengetan, um eine mehrere Stockwerke hohe thermische „Batterie“ unter der Erde zu bauen und zu betreiben. Nachts staut sich kaltes Seewasser, das tagsüber wieder abgegeben wird. (Enwave)

Konventionelle Fernkühlung

Wie bereits erwähnt, ist das DLWC-System von Toronto äußerst effizient, aber DLWC verfügt wie jede andere Versorgungsanlage über eine maximale Kapazität. Daher betreibt Enwave zusätzlich zum DLWC bedeutende konventionelle Fernkälteanlagen.

Enwave betreibt sowohl das DLWC als auch seine konventionellen Fernkälteanlagen synchronisiert, um zunächst die Nutzung der effizienteren DLWC-Anlage zu optimieren, und wendet sich dann, wenn das DLWC seine Kapazität erreicht, der konventionellen Fernkühlung zu.

Da in Toronto oder anderswo kein DLWC verfügbar ist, ist Fernkühlung eine effiziente Möglichkeit, ein Gebäudenetzwerk zu kühlen. In zentralen Kühlanlagen sind große, effiziente Geräte untergebracht, die gekühltes Wasser erzeugen, das durch isolierte Rohrleitungen über einen Wärmetauscher in die Kundengebäude fließt und dabei Wärme aus dem Gebäuderaum aufnimmt.

Durch Kühlung werden typischerweise 50 bis 75 Prozent des Spitzenstrombedarfs gedeckt. Durch die Bündelung des Kühlbedarfs in einem Netzwerk von Gebäuden schafft die Fernkühlung einen Skaleneffekt, der die Effizienz steigert, die Stromlasten ausgleicht und die Kraftstoffkosten senkt.

Fernwärme

Fernwärme, die ursprüngliche Form der Fernenergie, ist eine effiziente Möglichkeit, ein Gebäudenetzwerk zu beheizen. Im Gegensatz zur Kraft-Wärme-Kopplung erzeugt Fernwärme nur Wärme. In der Zentralheizungsanlage erzeugter Dampf oder heißes Wasser wird über isolierte Wärmeleitungen in die Kundengebäude geleitet und die daraus resultierende Wärmeenergie an das Heizsystem des Gebäudes übertragen.

Durch die Bündelung des Wärmebedarfs in einem Netzwerk von Gebäuden schafft Fernwärme Skaleneffekte, die die Effizienz steigern, die Stromlast ausgleichen und die Kraftstoffkosten senken.

Enwave betreibt in Toronto erst seit ein paar Jahren einen Warmwasserdienst, sagt Jacobs, betreibt aber seit mehr als 25 Jahren einen Warmwasserdienst in Charlottetown auf Prince Edward Island. Dieses alte, mit Kohlenwasserstoffen betriebene System wird derzeit durch kohlenstoffarme Quellen wie Wärmepumpen ergänzt.

Die Zukunft der Fernenergie

Viele Fachleute im Bereich der Fernwärme sind an der Nachrüstung bestehender Energiesysteme für Fernwärme interessiert und sehen eine solche Nachrüstung als zentral für die Zukunft der Fernwärme an.

In Philadelphia beispielsweise organisiert ULI-Mitglied Alan Razak, Direktor des Immobilienunternehmens AR Spruce, ein Beratungsgremium, um die Nutzung der Vorfahrtsrechte der Philadelphia Gas Works (PGW) für die Platzierung von Erdwärmepumpen unter der Erde zu untersuchen einzelne Häuser. Eine solche Nachrüstung kann sowohl den Versorgungsunternehmen als auch den Energieverbrauchern zugute kommen: Die Zahl der PGW-Gaskunden nimmt stetig ab, so dass das Unternehmen immer weniger in der Lage sein wird, die Kosten für den Betrieb seines Gassystems zu tragen, aber möglicherweise zumindest einen Teil seiner Kosten wieder hereinholen kann durch die Platzierung von Wärmepumpen.

Ein Vorteil der Nachrüstung bestehender Energiesysteme für Fernwärme besteht darin, dass nicht die gesamten Vorlaufkosten eines neuen Fernenergiesystems getragen werden müssen – einschließlich der Umweltkosten für eingebetteten Kohlenstoff bei Neubauten.

Da der Energiebedarf gestiegen ist und die Verfügbarkeit erneuerbarer Energien immer weiter verbreitet ist – was in Toronto besonders zutrifft – haben Immobilienentwickler die Fernenergie in ihrer dritten erneuerbaren Form wiederentdeckt und nutzen sie in entsprechenden Projekten.

Darüber hinaus ist das Fernstromnetz weit über seine vorgesehene Kapazität hinaus belastet, und durch die Verwendung eines lokalen Netzes außerhalb des Hauptnetzes kann Fernenergie die Belastung des Hauptnetzes verringern und seine Lebensdauer verlängern – und das ohne Kosten an die Betreiber des Hauptnetzes. In Gebieten, in denen das Hauptnetz einfach keine zusätzlichen Nutzer aufnehmen kann, ist Fernenergie möglicherweise die einzige Lösung.

Durch die Einsparung von Energie allein durch die Lokalisierung des Ortes ihrer Erzeugung – Erhaltung durch Lokalisierung – trägt die Fernwärme wesentlich dazu bei, der Immobilienbranche die Bewältigung der Energiewende zu ermöglichen.

Erfahren Sie mehr über innovative Entwicklungen in Toronto beim ULI Spring Meeting 2023.

CHUCK SCHILKE ist ein in Washington, D.C. ansässiger Immobilienstratege, Entwickler, Finanzier, Anwalt und Immobiliendozent an der Johns Hopkins University. Er führte die gesamte immobilienrechtliche Due-Diligence-Prüfung für die Exxon-Mobil-Fusion durch, baute das Blutverarbeitungssystem des Roten Kreuzes landesweit neu auf und schuf das Immobilien-Masterprogramm der Georgetown University.