Dienstag, 22. August 2017
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Zukunftsfähigkeit von Heizsystemen

Simon Greif, Roger Corradini und Jochen Conrad

Während die Energiewende in der Stromerzeugung mit gutem Vorbild voranschreitet, zeichnet sich die Wärmewende derzeit nicht ab. Um die ambitionierten Klimaziele des „Klimaschutzplan 2050“ erreichen zu können, müssen auch umfangreiche Maßnahmen in der Wärmeversorgung umgesetzt werden. Im Projekt Dynamis der Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V. (FfE) werden hierzu CO2-Verminderungsmaßnahmen sektorübergreifend untersucht.

Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderte und von 12 Projektpartnern unterstützte Projekt [1] beschäftigt sich mit der Entwicklung von Methoden und Werkzeugen zur kontinuierlichen Bewertung sektorübergreifender Dekarbonisierungsmaßnahmen. Trotz einer überdurchschnittlich warmen Heizperiode im Jahr 2014 war die Bereitstellung von Raumwärme und Warmwasser in privaten Haushalten für 110 Mio. t CO2-Emissionen und somit für 15 % aller energiebedingten CO2-Emissionen in Deutschland verantwortlich. Die Wärmeversorgung von Wohngebäuden weist demnach ein großes Potenzial zur Verminderung der Emissionen auf (vgl. Abb. 1 [2]).

Die Herausforderung

Der aktuelle Bestand an Heizungsanlagen in Deutschland besteht zu 65 % aus Gas- und zu 27 % aus Öl-befeuerten Kesseln [3]. Aus der in den letzten zehn Jahren durchschnittlichen jährlichen Modernisierungsrate für Kessel in Höhe von 3 % [4] lässt sich eine Nutzungsdauer von etwa 32 Jahren ableiten. Setzt sich dieser Trend auch in Zukunft fort, wird der Anlagenbestand bis zum Jahr 2050 ca. einmal erneuert. Mit der Langfristigkeit von Investitionen in die Wärmeversorgung geht einher, dass Maßnahmen, welche in den nächsten Jahren umgesetzt werden, für die Zielerreichung im Jahr 2050 entscheidend sind.

Wird dieser Aspekt nicht in ausreichendem Maß berücksichtigt, müssen Anlagen in den nächsten Jahrzenten mehrfach und noch innerhalb des Reinvestitionszyklus ausgetauscht werden. Dies sorgt weder für eine kostenoptimale noch eine gesellschaftlich akzeptierte Umsetzung der Wärmewende. In der Konsequenz muss sowohl seitens der energetischen Modernisierung der Gebäudehülle als auch der Anlagentechnik ein hoher Standard als oberstes Ziel gesetzt werden.

Die viel geforderte Erhöhung der Transformationsgeschwindigkeit (vgl. [5]) hingegen ist vor diesem Hintergrund zweitrangig. Das gilt insbesondere dann, wenn eine Erhöhung der Sanierungsrate mit einer geringeren Sanierungstiefe und einer mangelnden Anzahl an Handwerkern zur fachlich korrekten Ausführung einhergeht.

In den letzten Jahren konnte weder die Reduktion des Nutzwärmebedarfs noch die Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch (lediglich 13,2 % [6] im Jahr 2015) signifikant vorangebracht werden. Während auf neu gebaute Wohngebäude aufgrund des hohen verpflichtenden Energieeffizienzstandards der Energieeinsparverordnung nur ein kleiner Teil der Emissionen entfällt, besteht im Bestand erhebliches Einsparpotenzial. Um die Dynamik der Wärmewende deutlich zu erhöhen, ist eine Fokussierung auf die energetische Modernisierung von Bestandsgebäuden notwendig.

Forschungsfrage

Neben der Verbesserung des Wärmeschutzes von Gebäuden stellt sich die Frage nach der geeigneten Wärmebereitstellungstechnologie im sanierten Wohngebäude. Für Privatpersonen spielen Faktoren wie Höhe der Investition, Raumbedarf, Bedienfreundlichkeit und Betriebskosten eine wichtige Rolle. Aus Systemsicht ist neben den Vollkosten die Effizienz der Anlage von Bedeutung.

Vor diesem Hintergrund werden vielfach Wärmepumpen (WP) als effizienteste Wärmebereitstellungstechnologie bezeichnet, da sie Arbeitszahlen größer eins aufweisen. Demgegenüber existieren Technologien wie Wärmerückgewinnungsanlagen (WRG) und Solarthermieanlagen (ST), deren Arbeitszahlen um ein vielfaches größer als die der WP sein können.

Aktuell werden die letztgenannten Technologien i. d. R. nicht monovalent für die Wärmeversorgung von Wohngebäuden eingesetzt. Deshalb werden sie mit weiteren Komponenten zu einem vollständigen Wärmebereitstellungssystem kombiniert. Aufgrund der vergleichsweise hohen Investitionen für WP und ST ist eine Kombination der beiden Technologien selten vorzufinden. Anlagen mit hohen Investitionen werden typischerweise für eine hohe Anzahl an Vollaststunden ausgelegt. Wird sie mit einer weiteren Anlage kombiniert, reduziert sich jedoch die Anzahl der Vollaststunden.

Konventionelle Öl- bzw. Gaskessel hingegen werden aufgrund der geringen Investitionen vielfach mit ST kombiniert. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, wie sich unterschiedliche Anlagenkombinationen einheitlich vergleichen lassen?

Ein einheitlicher Vergleich von Heizsystemen kann nur mittels geeigneter Kenngrößen erfolgen. Neben den Vollkosten können der Wirkungsgrad bzw. die Arbeitszahl, welche auf dem Endenergieverbrauch basieren, als Effizienz-Kennwerte herangezogen werden. Sie treffen jedoch keine Aussage über die vorgelagerten Umwandlungsverluste von strombasierten Heizsystemen. Der Primärenergiebedarf als Vergleichsgrundlage würde zwar die Verluste der Stromerzeugung und somit die Belange der Ressourcenschonung berücksichtigen, nicht jedoch die unterschiedlichen Mengen an brennstoffbedingten Treibhausgasemissionen.

Genau diese werden im Klimaschutzplan 2050 [7] adressiert. Es zeigt sich, dass ein umfassender Vergleich der Effizienz verschiedener Wärmebereitstellungstechnologien einzig anhand der Treibhausgasemissionen erfolgen kann – im Folgenden repräsentiert durch das relevanteste Treibhausgas Kohlenstoffdioxid.

Fallstudie

Da der Bestand an Wohngebäuden sehr heterogen und kleinteilig ist, wird eine Fallstudie für ein Referenzgebäude durchgeführt. Es handelt sich um ein Einfamilienhaus mit 111 m² Wohnfläche und einem Wärmebedarf (Raumwärme und Warmwasser) von 112 kWh/(m²*a) (vgl. Tabelle). Als Alternative zur Luft- bzw. Erdwärmepumpe (Kollektor) werden Kombinationen aus WRG, ST und Öl- bzw. Gas-Kesseln untersucht.

Tab.: Charakteristika Referenzgebäude
Kenngröße Wert
Gebäudekategorie Einfamilienhaus
Baujahr 1996
Standort Würzburg
Wohnfläche 111 m²
Warmwasser (Endenergie) 1.945 kWh/a
Raumwärme (Endenergie) 12.324 kWh/a

In Anlehnung an [8] und [9] wird für die Luftwärmepumpe eine Jahresarbeitszahl von 2,8 und für die Erdwärmepumpe eine Jahresarbeitszahl von 3,7 angesetzt. Der solarthermisch substituierbare Endenergieanteil wird mittels [10] und einer Kollektorfläche von 15 m² ermittelt. Die Reduktion des Nutzwärmebedarfs mittels WRG basieren auf Messungen in einem vergleichbaren Gebäude. Die Nutzungsgrade der Raumwärme- bzw. Warmwasserbereitung werden anhand von [11] ermittelt.

Treibhausgaseffizienz

Die Emissionsfaktoren für die Energieträger Heizöl und Erdgas basieren auf [12]. Die Jahresmittelwerte für strombasierte Emissionen stammen aus dem Projekt „MOS 2030“ [13]. Im laufenden Projekt Dynamis wird das zugrunde liegende Energiesystemmodell ISAaR [14] bis zum Jahr 2050 erweitert.

Jährliche Vollkosten

Die Bewertung der Wirtschaftlichkeit der Systeme erfolgt unter Berücksichtigung der Investitionen, der Brennstoff-, Hilfsenergie- sowie Instandhaltungskosten. Diese werden in Summe als jährliche Vollkosten angegeben.

Die Entwicklung der Energiepreise wird über eine lineare Extrapolation der letzten 25 Jahre nach [15] fortgeschrieben. Dies bedeutet eine absolute Preissteigerung von 0,3 Cent (Heizöl), 0,2 Cent (Gas) bzw. 0,6 Cent pro kWh und Jahr. Auf Basis der Investitionen der Anlagenkomponenten (inkl. Austausch vorhandener Kessel und Anpassung der Peripherie) nach [16] lassen sich die Kosten mittels Preissteigerungsrate nach [17] auf den Stand von Q1/2017 skalieren. Die Kosten für Instandhaltung werden nach VDI 2067 angenommen.

Der Vergleich erfolgt in zwei Stufen. Zunächst werden die aus dem Jahr 2015 bekannten Emissionsfaktoren und Energiepreise herangezogen. Diese Bewertung enthält keine Unsicherheiten bspw. aus Energiepreisprognosen und gibt reale Kosten und Emissionen des Jahres 2015 wieder. Im zweiten Schritt wird die beschriebene Preisentwicklung sowie der nach [13] ermittelte Emissionsfaktor herangezogen, um eine Auswertung über den Betrachtungszeitraum durchführen zu können.

Ergebnisse (2015)

In Abb. 2 (links) sind die Ergebnisse der Untersuchung auf Basis historischer Daten dargestellt. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Ölpreise im Jahr 2015 führen die Anlagenkombinationen mit Ölkesseln zu geringeren Vollkosten als diejenigen mit Erdgas. Gleichzeitig weisen die ölbasierten Heizsysteme aufgrund des höheren Emissionsfaktors im Vergleich zu den gasbetriebenen Anlagenkombinationen höhere Emissionen auf.

Durch Kombination der konventionellen Kessel mit WRG und ST verringert sich jeweils die Menge an Emissionen bei gleichzeitiger Zunahme der Vollkosten. Auf Basis der historischen Daten stellen sich die Kombinationen Gas & WRG, Gas & ST, Gas & WRG & ST sowie Öl & ST & WRG als emissionsärmer und kostengünstiger als Luft-WP dar. Hinsichtlich der Vollkosten weisen beide untersuchten Wärmepumpen die höchsten Vollkosten auf.

Ergebnisse (2017–2036)

Abb. 2 (rechts) zeigt die Ergebnisse für den Zeitraum von 2017 bis 2036 unter Annahme der zuvor beschriebenen Energiepreisentwicklung sowie unter Verwendung der Emissionsfaktoren für Strom nach [13]. Die Emissionsfaktoren von Öl und Gas können als konstant angenommen werden. Folglich bewegen sich die Punkte, die auf diesen Brennstoffen basieren, parallel zur Abszissenachse.

Demgegenüber verringert sich in diesem Szenario der Emissionsfaktor des Stroms von 574 g/kWh im Jahr 2015 über die Jahre hin zu 192 g/kWh im Jahr 2036. Im Diagramm ist der Mittelwert über den Betrachtungszeitraum dargestellt. Der kausale Zusammenhang von Emissionsfaktor des Stroms und den energiebedingten Emissionen von strombasierten Wärmebereitstellungstechnologien verschiebt v. a. die Punkte der WP von oben nach unten.

Es zeigt sich, dass die WP hierdurch mit Ausnahme von Gas & ST & WRG die geringsten Emissionen bei gleichzeitig höchsten Kosten aufweisen. ST-Systeme hingegen, welche aufgrund der zeitlichen Volatilität mit fossilen Brennstoffen kombiniert werden, können in der gewählten Dimensionierung nur bis zu einem gewissen Niveau dekarbonisierend wirken.

Bewertung über die gesamte Lebensdauer

Der Vorteil retroperspektivischer Bewertungen liegt darin, dass keine Annahmen bzgl. der Energiepreise und Emissionsfaktoren getroffen werden müssen. Stellt sich die Frage über den Austausch bestehender Wärmeversorgungssysteme, muss sich die Bewertung über die gesamte Lebensdauer erstrecken. Der Vergleich von Alternativen ist somit nur unter Annahme von Energiepreisentwicklungen und der Entwicklung des deutschen Strommix möglich. Während die Emissionen von Anlagenkombinationen mit Solarthermie- und Wärmerückgewinnungsanlagen über die Jahre konstant sind, hängen die von Wärmepumpen direkt von der angenommenen Entwicklung des Strommix ab.

In Anbetracht der langen Reinvestitionszyklen und der ambitionierten Klimaziele werden Anlagenkombinationen gesucht, welche sehr geringe Lebenszyklus-Emissionen verursachen. Vor diesem Hintergrund ist eine Neuinstallation von Heizsystemen auf fossiler Basis als nicht zukunftsfähig einzuordnen. In Dynamis werden deshalb Solarthermieanlagen mit deutlich größeren Deckungsgraden sowie alternative Anlagenkombinationen untersucht.

Anmerkungen

  1. Siehe www.ffe.de/dynamis  ↩

  2. Rasch; M.; Regett, A. et al.: Eine anwendungsorientierte Emissionsbilanz – Kosteneffizeinte und sektorenübergreifende Dekarbonisierung des Energiesystems. In: BWK Bd. 69 (2017) Nr. 3, S. 88–84. Verein Deutscher Ingenieure (VDI); Düsseldorf 2017.  ↩

  3. Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie e. V. (BDH): Gesamtbestand zentrale Wärmeerzeuger 2015. Köln 2016.  ↩

  4. Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie e. V. (BDH): 10 Jahresverlauf Absatz Wärmeerzeuger Deutschland – Marktentwicklung Wärmeerzeuger 2005–2015. Köln 2016.  ↩

  5. Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie e. V. (BDH): Ist die Wärmewende auf dem richtigen Kurs? In: Deutsches Wärmejournal; Nr. 1, September 2015.  ↩

  6. Corradini, R.; Conrad, J.; Samweber, F.: Wärme- und Verkehrswende weiterhin nicht sichtbar. Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V. (FfE), München 2016. Abrufbar unter: https://www.ffe.de/publikationen/609 (besucht am 8.4.2016).  ↩

  7. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMU): Klimaschutzplan 2050 – Klimaschutzpolitische Grundsätze und Ziele der Bundesregierung. Berlin 2016.  ↩

  8. Miara, M. et al.: Wärmepumpen Effizienz – Messtechnische Untersuchung von Wärmepumpenanlagen zur Analyse und Bewertung der Effizienz im realen Betrieb. Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE), Freiburg 2011.  ↩

  9. Russ, C. et al.: Feldmessung Wärmepumpen im Gebäudebestand. Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE), Freiburg 2010.  ↩

  10. Corradini, R.; Sutter, M. (Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V.) et al.: Solarthermie – Technik, Potenziale, Wirtschaftlichkeit und Ökobilanz für solarthermische Systeme in Einfamilienhäusern. Ein Projekt der Wüstenrot Stiftung in Zusammenarbeit mit der Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V. Herausgegeben durch die Wüstenrot Stiftung: Ludwigsburg 2014. Kostenlos beziehbar unter: www.solarthermiepotenziale.de  ↩

  11. Corradini, R.: Regional differenzierte Solarthermie-Potenziale für Gebäude mit einer Wohneinheit. Dissertation an der Fakultät für Maschinenbau der Ruhr-Universität Bochum. Herausgegeben durch die Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V. (FfE), München 2013.  ↩

  12. Beer, M.; Habermann, J.: Basisdaten zur Bereitstellung elektrischer Energie und Umwandlung von Brennstoffen in Deutschland. Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V.; München 2011. In: http://www.ffe.de/die-themen/erzeugung-und-markt/186-basisdaten-energietraeger  ↩

  13. Pellinger, C.; Schmid, T.; et al.: Merit Order der Energiespeicherung im Jahr 2030 – Hauptbericht. Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V. (FfE), München 2016.  ↩

  14. Siehe https://www.ffe.de/themen-und-methoden/modelle-und-tools/625-isaar-integriertes-simulationsmodell  ↩

  15. Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi): Zahlen und Fakten Energiedaten – Nationale und internationale Entwicklung. Berlin 2016.  ↩

  16. Hinz, E.: Kosten energierelevanter Bau- und Anlagenteile bei der energetischen Modernisierung von Wohngebäuden in: BMVBS-Online-Publikation, Nr. 07/2012. Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS), Berlin 2012.  ↩

  17. Statistisches Bundesamt (destatis): Preisindizes für die Bauwirtschaft – August 2016 (3. Vierteljahresausgabe). Wiesbaden 2016.  ↩

S. Greif M.Sc., Dr.-Ing. R. Corradini, J. Conrad M.Sc., Forschungsstelle für Energiewirtschaft (FfE) e. V., München
sgreif@ffe.de

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