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Fachartikel
12. Februar 2021

Infrastruktur

Herausforderungen des Tiefbaus

Die Energieperspektiven 2050 des Bundes erfordern einen Ausbau der thermischen Netze. Dieser wird wegen der hohen Energiedichte weitgehend im urbanen Umfeld stattfinden – und zwar in Form flächendeckender Netze im Sinne einer Grundversorgung der Gebäudestrukturen mit Wärme und Kälte oder mit Anergiesystemen. Doch gerade der urbane Raum ist besonders in historischen Quartieren bereits stark belegt und die Suche nach geeigneten Trassen erweist sich als sehr anspruchsvoll.
Martin Jutzeler, Daniel Wüthrich, 

Es wird nie einfach sein, im urbanen Umfeld zusätzliche Werkleitungen für Fernwärme und zunehmend auch Fernkälte oder Anergie zu realisieren. Die aktuelle Situation zeigt eine konzentrierte Nutzung des Strassenraumes. Dabei nehmen der volkswirtschaftliche und politische Druck auf die Anforderungen an Nutzung und Gestaltung zu – Stichwörter sind: behindertengerechte Gehbereiche, breite Velostreifen, Tramachsen, Begrünung, Begegnungsraum usw. Seit kurzem werden auch vermehrt Massnahmen zur Anpassung an den Klimawandel gefordert – die Stichwörter in diesem Zusammenhang sind: Begrünung von Dächern und Fassaden, Schaffung von Grünanlagen, Entsiegelung, Anpflanzen von Bäumen, Schaffung von Kaltluftbahnen, Schwammstadt usw. Die Koordination aller dieser Gewerke wird die Herausforderung der Zukunft sein.

LEITUNGSGEBUNDENE VERSORGUNG VERSUS LOKALE ENERGIESYSTEME

Eine Konkurrenzierung der leitungsgebundenen thermischen Energiesysteme durch dezentrale Energiesysteme, wie Wärmepumpen, als Ansatz für die Transformation der Energieversorgung ist hingegen weniger bedeutsam: Umweltwärme ist nämlich im dicht bebauten urbanen Siedlungsgefüge auf den einzelnen Parzellen oft nicht in genügendem Mass vorhanden. Ausserdem scheitert deren Erschliessung häufig an den beschränkten Platzverhältnissen bzw. an den entsprechend teuren baulichen Lösungen und der Lärmbelastung. Im Falle der dezentralen Kälteversorgung von Gebäuden fehlen ebenfalls ausreichende Rückkühlflächen auf den Dächern.
Überdies basieren dezentrale Systeme auf der Strominfrastruktur, die bedingt durch die neuen und steigenden Bedürfnisse der Elektromobilität bereits heute an ihre Grenzen kommt. Simulationen, die ewb zu diesem Thema durchführte, haben gezeigt, dass die Spitzenlast der Strominfrastruktur in der Stadt Bern um 47% bis 2035 zunimmt, wenn sich der Anteil der Wärmepumpen an der gesamten Wärmebereitstellung (MWth) auf 20% beläuft. Zum Vergleich: heute liegt der Anteil in der Stadt Bern bei 4,5%. Für einen noch höheren Wärmepumpenanteil von 30% wird eine Zunahme von 67% bis 2035 prognostiziert. Solch ein Anstieg hätte zur Folge, dass die Strominfrastruktur teilweise neu gebaut werden müsste, was deutlich höhere Kosten verursachen würde.

BESTEHENDE GASINFRASTRUKTUR

Die bestehende Gasinfrastruktur in Bern ist sehr kompakt, jung und potent. Dies ist nicht nur in Bern, sondern in vielen Schweizer Städten der Fall. In Bern wird standardmässig ein Anteil erneuerbarer Gase von 25% den Kunden angeboten. Viele Kunden beziehen bereits heute 100% Biogas und verfügen dadurch über eine smarte erneuerbare Lösung. Seit langem stellt diese Gasinfrastruktur die Versorgung in den urbanen Bereichen der Städte sicher, wo keine Fernwärme vorhanden ist oder ausgebaut werden kann. Leider wurde in der jüngeren Vergangenheit das Gas politisch an den Pranger gestellt. Es fehlt oft am politischen Willen, die Möglichkeiten der Gasinfrastruktur, vor allem als erneuerbare Übergangslösung, zu akzeptieren.
In Bern konnte ewb einen gangbaren Weg mit erneuerbaren Gasen aufzeigen: bis 2035 wird der Anteil erneuerbarer Gase in der Gasinfrastruktur 60% betragen, bis 2050 soll dieser bei 100% liegen, sodass Klimaneutralität erreicht wird. Selbstverständlich wird gleichzeitig die Menge an geliefertem Gas zurückgehen. Durch das Aufzeigen dieses plausiblen Lösungsweges, der auf einer Kombination von Fernwärme, Wärmepumpen und Biogas basiert, konnte die Stadt Bern den Rückhalt von der Politik erhalten (Fig. 1).
Aktuell prüft ewb die bestehende Gasinfrastruktur auf Wasserstoffkompatibilität. Dies, um zukünftig den Anteil an erneuerbaren Gasen im Gasnetz durch die Einspeisung von grünem Wasserstoff erhöhen zu können. Die ersten Ergebnisse dieser Analysen sind vielversprechend.

HERAUSFORDERUNGEN beim AUSBAU THERMISCHER NETZE

Fernwärmeausbau braucht Zeit

Soll ein Ausbau thermischer Netze in dem von den Energieperspektiven 2050 skizzierten Mass erfolgen, so dauert dies mehrere Jahrzehnte. Ein schnelleres Vorgehen ist nicht ratsam und volkswirtschaftlich auch kaum akzeptierbar. Im Falle eines raschen Vorgehens könnte nicht im erwünschten Mass koordiniert mit den anderen Gewerken im Untergrund gebaut werden. Die Folgen wären erhöhte Abschreibungen, häufigeres Aufreissen von Strassen, mehr Baustellen und Verkehrsprobleme sowie mehr Lärm.
Die erforderliche Zeit für die Realisierung von Wärmenetzen in Städten im grossen Stil steht nicht im Einklang mit den Vorgaben der verschärften Gesetzgebung im Bereich der Wärmeversorgung; hier sind insbesondere die energierechtlicher Mustervorschriften im Gebäudebereich
(MuKEn) und das CO2-Gesetz zu nennen. Die Gesetzgebung verlangt zunehmend eine schnellere Gangart beim Umstieg auf eine fossilfreie Wärmeversorgung. Dies stellt jedoch für den Fernwärmeausbau aus den vorgängig erwähnten Gründen ein grosse Herausforderung dar.
Gemäss den verschärften Anforderungen müssten viele Hauseigentümer bei einem Heizungsersatz andere Lösungen mit erneuerbaren Energien realisieren, bevor ihnen ein Fernwärmeanschluss ermöglicht werden kann. Diese Hauseigner werden später kaum mehr auf Fernwärme umsteigen. Dadurch sinkt der Anschlussgrad im Endausbau, was die Wirtschaftlichkeit der Fernwärme stark beeinträchtigt. Diesem Problem kann nur begegnet werden, indem die Gesetze für energieplanerisch festgelegte Fernwärmegebiete Spezialregelungen erlauben.

Übergangslösungen in Bern

In Bern entwickelte ewb zusammen mit der Stadt Übergangslösungen, die über den Ökofonds für erneuerbare Energien unterstützt werden.1 Dabei werden Hauseigentümer, die sich bereit erklären, ihr Gebäude innerhalb den nächsten fünf Jahren an die Fernwärme anzuschliessen, entsprechend unterstützt respektive es wird eine Übergangslösung in einem Mietmodell zur Verfügung gestellt. Die Kosten für diese Lösung werden aus dem Ökofonds und vom Hauseigentümer getragen. In Figur 2 sind rot dargestellt all jene Gebäude, für die ein Heizungsersatz ansteht bzw. überfällig ist und die mit den ambitionierten Ausbauplänen für Fernwärme in Bern nicht rechtzeitig erschlossen werden können. Diese Gebäude kämen für eine Übergangslösung in Frage.

Anpassung der Wirtschaftlichkeitsvorgaben für Fernwärmeausbau nötig

Bisher galt als Voraussetzung für ein wirtschaftlich erfolgreiches Fernwärmeprojekte folgende Lösung: Ein Projekt wird realisiert, wenn 80 bis 90% der Schlüsselkunden im vorgesehenen Endausbau einen Anschlussvertrag abgeschlossen haben. Dadurch waren die Fernwärmebetreiber von Beginn an wirtschaftlich abgesichert. Dieses Vorgehen war möglich und sinnvoll, solange sich der Anschluss auf wenige ausgewählte Kunden mit hohem Wärmebedarf beschränkte.
In Anbetracht des Klimaziels 2050 der Schweiz «Netto-Null-Emissionen» muss die Fernwärmeversorgung jedoch als flächendeckende Gebietsversorgung verstanden werden. Dies lässt sich nur mit einer Top-down-Planung analog zur Strom- oder Wasserversorgung umsetzen. Die Umsetzung eines solchen Vorgehens führt zu hohen Anfangsinvestitionen in den Tiefbau und die Produktion, bevor der Wärmeabsatz gesichert ist. Die Verzinsung dieser Anfangsinvestitionen kann erst nach einigen Jahrzehnten Betrieb aus dem Cash-Flow gedeckt werden.
Dies bedeutet, dass die rechtlichen Wirtschaftlichkeitsvorgaben für Fernwärmeversorgungen entsprechend ausgestaltet werden müssen. Heutige Vorgaben, wie sie für Eigenwirtschaftsbetriebe gelten, werden der neuen Situation nicht gerecht. Unter Umständen braucht es staatliche und/oder städtische Investitionshilfen, um das Problem abzufedern.

Finanzierung der Transformation der leitungsgebundenen Wärmeversorgung

Um möglichst schnell einen vernünftigen Anschlussgrad an die Fernwärme zu erreichen, sollten für ölversorgte Gebäude bei einem Heizungsersatz keine Ersatzinvestitionen möglich sein.
Gasversorgungsinfrastrukturen parallel zum Fernwärmeausbau sollten wo immer möglich reduziert oder stillgelegt werden können. Für allfällige nicht amortisierte Kosten (NAI, Not Amortized Investments) der Gasversorgung ist eine Lösung zu suchen. In Bern plant ewb den Gasleitungsersatz risikobasiert gemäss einer Zielinfrastruktur, die auf den Fernwärmeausbau abgestimmt ist. Die Einsparungen, die ein solchermassen koordiniertes Vorgehen beim Tiefbau mit sich bringt, wiegen die NAI oft wieder auf.
Die Mehrkosten, die dem gewünschten «Zielsystem» Fernwärme dadurch entstehen, dass es zeitlich gesehen das letzte Gewerk ist, das in den Boden kommt und folglich allen anderen bestehenden Gewerken ausweichen muss, sollten nicht der Fernwärme angelastet, sondern aus anderen Mitteln getragen werden. Denkbar ist eine zweckgebundene Abgabe an das Gemeinwesen oder eine zweckgebundene Gewinnablieferung der Stadtwerke, welche für die Finanzierung der Transformation der leitungsgebundenen Wärmeversorgung genutzt werden kann.

CHANCEN beim AUSBAU THERMISCHER NETZE

Um die Tiefbaukosten beim Fernwärmeausbau zu reduzieren, ist es wichtig, gute, kostengünstige Lösungen für die Anordnung der Fernwärme im Strassenquerschnitt, insbesondere hinsichtlich der Verlegungstiefe, aufzuzeigen. Zudem braucht es eine Abstimmung mit städtischen Baumkonzepten (Alleen, Strassenbäume). Der Strassenbaum-bestand ist ein wesentlicher Bestandteil der urbanen grünen Infrastruktur und gewinnt im Kontext der Anpassungen an den Klimawandel in Städten an Bedeutung. Die Fernwärmeversorgung der 1960er-Jahre wurde masterplanmässig oft in begehbaren Stollenanlagen gebaut. In Bern gibt es rund 50 Kilometer begehbare Stollenanlagen (Fig. 3). Diese Anlagen werden aktuell gerne auch für andere Anwendungen wie die Telecom genutzt. Für weitere Nutzungen sind sie leider oft zu kompakt gebaut. In Bern stehen überdies für die nicht armierten Stollenbauwerke, die oftmals in schlechter Betonqualität gebaut wurden, umfangreiche Sanierungsmassnahmen an. Hier liegt ein gewisses Potenzial für Anpassungen und damit für eine zukünftige Mehrfachnutzung der Stollen.
Darüber hinaus werden in der Stadt und der Agglomeration Bern derzeit umfangreiche Tramprojekte oder Sanierungen bestehender Tramlinien geplant. Aktuell werden die Tramschienen in einem entkoppelten Trog gebaut. Unter diesem Trog und der Interventionsbreite werden längsseitig keinerlei Werkleitungen verlegt. Dieser Trogbereich könnte jedoch als begehbarer Werkleitungsstollen ausgelegt werden, in dem alle Leitungen wie auch die Citylogistik zusammen verlegt werden.
Entsprechende Logistikstollen kennt man bereits in hochverdichten Arealen wie in Spital- oder Bahnhofsbereichen. Beispielsweise plant (und erstellte bereits teilweise) das Universitätsspital Bern unter dem Inselareal einen 16 Meter breiten, ringförmigen Medien- und Logistikkanal, in dem alle Gewerke und Zentralen konzentriert werden. Solche Bauwerke scheitern allerding oft – wie bereits erwähnt – an der Koordination und der Vorfinanzierung. Konsequent zu Ende gedacht wären jedoch begehbare Werkleitungsstollen eine Option für alle Basisstrassen. Auch dort, wo eine Tramlinie verläuft, wäre solch ein Stollen eine sinnvolle Möglichkeit. Die Autoren sind allerdings der Ansicht, dass ein Werkleitungsstollen unterhalb der Siedlungsentwässerung liegen sollte, damit Queranschlüsse an die Kanalisation im Freispiegel möglich bleiben. Alternativ könnten die Anlagen der Siedlungsentwässerung auch in die Stollenanlagen integriert werden (Fig. 4). Im ersten Fall bedeutet dies, dass Werkleitungsstollen in der Regel unterhalb der üblichen Kellertiefe von 3 bis 4 Metern platziert werden sollten. Damit spielt es keine Rolle mehr, ob Tramlinien einen sogenannten «Freihalteraum» für Werkleitungen erhalten noch ob die Infrastruktur und die oberflächennahe Gestaltung den mittelfristigen Bedürfnissen angepasst werden müssen. Dieser wechselt erfahrungsgemäss alle 25 bis 30 Jahre entsprechend den neuen Bedürfnissen. Die Lösung der begehbaren Stollen für Werkleitungen würden unter den heutigen üblichen Werkleitungstiefen zu liegen kommen, und zwar auf einem Niveau unter Kote von rund –4 Metern. Solch ein Konzept mit mehreren Ebenen verwenden Grossstädte, wie zum Beispiel die Stadt New York.

FAZIT

Jahrhundertprojekte wie die Transformation der leitungsgebundenen Wärmeversorgung in Städten brauchen eine masterplanmässige Vorarbeit und können nicht über das Knie gebrochen werden, auch wenn der Zeitdruck, der sich aus den Klimazielen der Schweiz ableitet, enorm hoch ist. Doch eröffnet der jetzt geforderte massiven Ausbau der thermischen Netze auch die Chance, im Tiefbau neue Wege zu gehen und beispielsweise auf begehbare Werkleitungsstollen, die künftig Unterhalt und Instandsetzung der einzelnen Gewerke stark vereinfachen würden, zu setzen. Selbstverständlich lassen sich solche Neuerungen nur mit einer politischen Unterstützung einführen.

1 Mit dem 2002 eingerichteten Ökofonds für erneuerbare Energien, in den 10% der an die Stadt Bern ausgeschüttete Gewinnabgabe fliessen, fördert ewb die Produktion und den Vertrieb von erneuerbaren Energien und unterstützt Projekte zur Steigerung der Energieeffizienz.

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