Читать книгу: «Wärmeversorgungssysteme mit saisonalen Wärmespeichern»
Anna-Elisabeth Wollstein-Lehmkuhl
Wärmeversorgungssysteme mit saisonalen Wärmespeichern
expert verlag
Der vorliegende Band wurde durch die Fakultät Bauingenieurwesen der Technischen Universität Dresden als Dissertationsschrift Ganzheitliche Bewertung eines nachhaltigen Wärmeversorgungssystems mit saisonalem Wärmespeicher angenommen und am 19.07.2019 in Dresden verteidigt.
© 2020 · expert verlag
Dischingerweg 5 · D-72070 Tübingen
Alle Informationen in diesem Buch wurden mit großer Sorgfalt erstellt. Fehler können dennoch nicht völlig ausgeschlossen werden. Weder Verlag noch Autoren oder Herausgeber übernehmen deshalb eine Gewährleistung für die Korrektheit des Inhaltes und haften nicht für fehlerhafte Angaben und deren Folgen.
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Internet: www.expertverlag.de
eMail: info@expert.verlag
ISBN 978-3-8169-3514-8 (Print)
ISBN 978-3-8169-0016-0 (ePub)
Inhalt
Geleitwort
Vorwort der Verfasserin
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung1.1 Problemstellung und Relevanz der Arbeit1.2 Ziele und Abgrenzung der Arbeit1.3 Aufbau der Arbeit
2 Theoretische Grundlagen2.1 Politische Rahmenbedingungen der Energiewende2.1.1 Internationale politische Instrumente2.1.2 Nationale politische Instrumente2.2 Wärmeversorgung in Deutschland2.2.1 Grundlagen2.2.2 Struktur der Wärmeabnehmer2.2.3 Energieträger im Wärmesektor2.2.4 Akteure und Betreiberkonzepte am Wärmemarkt2.2.5 Zusammenfassung zur Wärmeversorgung in Deutschland2.3 Wärmespeicher2.3.1 Grundlagen der Wärmespeicherung2.3.2 Systeme zur sensiblen Wärmespeicherung2.3.3 Anwendungsbeispiele von Behälterwärmespeichern2.3.4 Zusammenfassung der Grundlagen der Wärmespeicher2.4 Lebenszyklusphasen von Bauprojekten
3 Untersuchungsmodell zum saisonalen Wärmespeicher3.1 Grundlagen von Entscheidungsmodellen und Zielstellungen3.2 Systemaufbau3.3 Berechnung und Dimensionierung der Gebäude3.4 Berechnung und Dimensionierung der Solarthermie und des saisonalen Wärmespeichers3.4.1 Dimensionierung der Kollektorfläche und des Speichervolumens3.4.2 Dimensionierung der Speichergeometrie3.4.3 Baukonstruktiver Aufbau des Wärmespeichers3.5 Stakeholder und Betreibermodell3.5.1 Wärmecontractor3.5.2 Gebäudeeigentümer3.5.3 Mieter3.6 Zusammenfassung und Ziel des Untersuchungsmodells
4 Wirtschaftlichkeit von saisonalen Wärmespeichern4.1 Zielstellung4.2 Methodische Grundlagen und Ansätze der Untersuchung4.2.1 Ermittlung der Investitionskosten4.2.2 Kosten während der Nutzungsdauer4.2.3 Weitere Rahmenbedingungen4.2.4 Investitionsrechnung4.2.5 Untersuchung der Unsicherheiten4.2.6 Förderungsmaßnahmen4.3 Ergebnisse4.3.1 Investitionskosten4.3.2 Investitionsrechnung4.3.3 Sensitivitätsanalyse4.3.4 Förderungsmaßnahmen4.4 Zusammenfassung der Wirtschaftlichkeitsuntersuchung
5 Soziale Akzeptanz saisonaler Wärmespeicher5.1 Zielstellung5.2 Theorien und Erklärungsmodelle5.2.1 Diffusionstheorie5.2.2 Markteintrittsbarrieren und -treiber5.2.3 Circle of Blame5.3 Methodik5.3.1 Untersuchungsablauf5.3.2 Stichprobe5.3.3 Durchführung der Untersuchung5.3.4 Kategorien des Interviewleitfadens5.3.5 Auswertung der Untersuchung5.4 Ergebnisse5.4.1 Kategorie 1: Sanierungsmaßnahmen Gebäude5.4.2 Kategorie 2: Dezentrale und nachhaltige Wärmeversorgung5.4.3 Kategorie 3: Nutzerzufriedenheit5.4.4 Kategorie 4: Entwicklung der Energieeffizienz und Marketing5.5 Zusammenfassung der Akzeptanzuntersuchung
6 Ausblick auf die ökologische Bewertung saisonaler Wärmespeicher6.1 Zielstellung6.2 Methodik6.2.1 Grundlagen der Ökobilanz6.2.2 Wirkungskategorien und Wirkungsindikatoren6.3 Ergebnisse6.4 Zusammenfassung der ökologischen Bewertung
7 Schlussbetrachtung7.1 Zusammenfassung7.2 Limitation der Arbeit7.3 Ausblick
8 LiteraturverzeichnisMonografien und Aufsätze in FachzeitschriftenInternetquellenNormen und Regelwerke
Anlage 1 – Interviewleitfaden
Glossar
Geleitwort
Der Club of Rome hat mit der Veröffentlichung der Studie „Die Grenzen des Wachstums“ im Jahr 1972 einen Denkprozess eröffnet, indem er auf die Begrenzung der Ressourcen in der Welt hingewiesen hat. Diese Erkenntnisse verbinden sich zunehmend mit dem Konsens, dass die Klimaerwärmung durch die vom Menschen erzeugten CO2-Emissionen maßgeblich bedingt ist. Die Reduktion der CO2-Emissionen ist daher Bestandteil von zahlreichen klimapolitischen Zielen.
Nach Angaben des Bundesumweltamtes entfiel im Jahr 2018 über 28 % des Endenergieverbrauchs in Deutschland auf Haushalte. Davon wird etwa 85 % für die Erwärmung der Räume und für Warmwasser verwendet. Leider stammt nur etwa 15 % der dafür benötigten Primärenergie aus erneuerbaren Quellen. Somit erscheint es unumgänglich, auf nachhaltige Weise die in Haushalten benötigte Wärme zu erzeugen.
Die Bundesregierung fördert mit zahlreichen Maßnahmen die Reduktion des Energieverbrauchs in Häusern, zum Beispiele zur Wärmedämmung über das KfW-Programm „Energieeffizienz Sanieren“. Außerdem gibt es verschiedene Fördertöpfe für die Erneuerung der Heizanlagen zum Beispiel für den Einsatz von Wärmepumpen. Diese Maßnahmen erscheinen aber nicht ausreichend, um die erforderlichen CO2-Reduktionen zu erreichen.
Erste Versuche, die zum Heizen und für die Warmwasserzubereitung benötigte Energie mittels Solarthermie zu gewinnen und in saisonalen Warmwasserbehältern zu speichern, können bis in die 1990er Jahren zurückverfolgt werden. Obwohl das Prinzip der saisonalen Wärmespeicherung relativ einfach erscheint, sind die konkreten technischen Herausforderungen bei der Umsetzung solcher Konzepte komplex und vielschichtig, so dass bisher nur relativ wenige Anlagen realisiert wurden. Besonders sensibel zeigen sich Konzepte der saisonalen Wärmespeicherung auch aus wirtschaftlicher Sicht, da Heizung und Warmwasser einen nicht unbeträchtlichen Anteil der Wohnnebenkosten ausmachen und somit die Erhöhung der Kosten für Heizung und Warmwasser vermieden werden sollte.
Mit der vorliegenden Arbeit widmet sich Frau Wollstein-Lehmkuhl einer nachhaltigen Wärmeversorgung mit saisonalen Warmwasserspeichern. Dabei betrachtet Frau Wollstein-Lehmkuhl solche Systeme aus ökologischer, ökonomischer und soziökonomischer Sicht.
Besonders interessant ist hierbei, dass Frau Wollstein-Lehmkuhl mit umfangreichen Berechnungen auf Grundlage von Vollständigen Finanzplänen nachweisen konnte, dass saisonale Warmwasserwärmespeicher auch wirtschaftlich darstellbar sind.
Es bleibt zu somit hoffen, dass insbesondere die Bundesregierung aber auch Wohnungsbaugesellschaften erkennen, dass sich solche Systeme für Heizung und Warmwasser als Alternative für konventionelle Systeme, die zu CO2-Emissionen führen, darstellen. Es wäre somit wünschenswert, dass umfangreiche Fördergelder bereitgestellt werden und konkrete Projekte realisiert werden, um zunehmend Erfahrungen bei solchen Systemen zu gewinnen.
Dresden, im März 2020 Univ.-Prof. em. Dr.-Ing. Rainer Schach
Vorwort der Verfasserin
Der Einsatz von erneuerbaren Energien im Wärmesektor gewinnt im Zuge der Energiewende zunehmend an Bedeutung. Jedoch erschwert die starke Volatilität nachhaltiger Energieträger eine versorgungssichere Wärmebereitstellung. Der Einsatz von saisonalen Wärmespeichern kann Schwankungen teilweise ausgleichen. Die Entkopplung von Wärmeerzeugung und Wärmeverbrauch ermöglicht eine dezentrale und nachhaltige Wärmeversorgung mit erneuerbaren Energien.
Die wärmetechnische Versorgung durch solarthermisch betriebene saisonale Wärmespeicher steht dabei in direkter Konkurrenz zu anderen Wärmeversorgungssystemen. Durch die dezentrale Struktur des Wärmemarktes ist die optimale Anpassung an die Anforderungen der Stakeholder essentiell. In einer zukunftsfähigen Beurteilung müssen nach heutigen Standards die drei Dimensionen der Nachhaltigkeit berücksichtigt werden. Projekte müssen ganzheitlich und langfristig unter den Aspekten Ökologie, Ökonomie und sozialer Verträglichkeit initiiert werden.
Die vorliegende Arbeit wählte daher einen interdisziplinären Ansatz zur Bewertung eines dezentralen solarthermisch betriebenen saisonalen Wärmespeichers zur Wärmeversorgung von Wohngebäuden. Die Einflüsse von ökonomischen, sozialen und ökologischen Parametern auf die Marktfähigkeit saisonaler Behälterwärmespeicher wurden untersucht.
Die Arbeit entstand im Rahmen meines Promotionsstipendiums am Boysen-TU Dresden-Graduiertenkolleg. Ein besonderer Dank gilt meinem Doktorvater und erstem Gutachter Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Rainer Schach, der mich während dieser Zeit bei der Umsetzung meiner Promotion immer unterstützt hat und mir in vielen Gesprächen konstruktiv zur Seite stand.
Weiterhin möchte ich Herrn Professor Dr. Lutz M. Hagen vom Institut für Kommunikationswissenschaften der TU Dresden und Herrn Professor Dr.-Ing. Jörn Krimmling von der HTW Dresden für die Bereitschaft zur Begutachtung meiner Arbeit danken. Darüber hinaus möchte ich mich bei allen Angehörigen und Mitarbeitern des Boysen-TU Dresden-Graduiertenkollegs und der Friedrich und Elisabeth Boysen-Stiftung für die Förderung meines Promotionsvorhabens bedanken. Insbesondere danke ich auch den Kolleginnen und Kollegen am Institut für Baubetriebswesen für die kollegiale Zusammenarbeit und fachliche Unterstützung. Schließlich danke ich meiner Mutter, die mich stets ermutigt hat, Sachverhalte kritisch zu hinterfragen und mich in allen Lebenslagen unterstützt hat.
Mein besonderer Dank gilt meinem Ehemann Andreas für die Freiheit, Motivation und Rückendeckung bei diesem besonderen Vorhaben.
Dresden, im März 2020 Anna-Elisabeth Wollstein-Lehmkuhl
Abkürzungsverzeichnis
| AfA | Absetzung für Abnutzung |
| AVBFernwärmeV | Verordnung über Allgemeine Bedingungen für die Versorgung mit Fernwärme |
| AWF | Außenwandfläche |
| BDH | Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie |
| BF | Bebaute Fläche |
| BGB | Bürgerliches Gesetzbuch |
| BGF | Brutto-Grundfläche |
| BHKW | Blockheizkraftwerk |
| BKI | Baukosteninformationszentrum |
| BNB | Bewertungssystem Nachhaltiges Bauen |
| BRD | Bundesrepublik Deutschland |
| BREEAM | Building Research Establishment Environmental Assessment Method |
| BRI | Brutto-Rauminhalt |
| BMU | Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit |
| BMUB | Bundesministerium für Umwelt, Bau und Reaktorsicherheit (2013 - 2017, ab 2018 BMU) |
| CO2 | Kohlenstoffdioxid |
| DAF | Dachfläche |
| DAX | Deutscher Aktien Index |
| DEF | Deckenfläche |
| DIN | Deutsches Institut für Normung e. V. |
| DGNB | Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen |
| EE | Erneuerbare Energien |
| EEG | Erneuerbare Energien Gesetz |
| EEWärmeG | Erneuerbare Energien Wärmegesetz |
| EFTA | Europäische Freihandelsassoziation |
| EK | Eigenkapital |
| EKR | Eigenkapitalrentabilität |
| EnEV | Energie-Einsparverordnung |
| EU | Europäische Union |
| EWG | Europäische Wirtschaftsgemeinschaft |
| GF | Grundstücksfläche |
| ggü. | gegenüber |
| GHD | Gewerbe, Handel und Dienstleistung |
| GWP | Global Warming Potential |
| HOAI | Honorarordnung für Architekten und Ingenieure |
| Hrsg. | Herausgeber |
| HKW | Heizkraftwerke |
| HW | Heizwerk |
| ImmoWertV | Immobilienwertermittlungsverordnung |
| IWF | Innenwandfläche |
| KEA | Kumulierter Energie Aufwand |
| KG | Kostengruppe |
| KGF | Konstruktionsgrundfläche |
| KWK | Kraft-Wärme-Kopplung |
| LEED | Leadership in Energy and Environmental Design |
| MAP | Marktanreizprogramm |
| MiWo | Mineralwolle |
| NRF | Netto-Raumfläche |
| NUF | Nutzungsfläche |
| ODP | Ozone Depletion Potential |
| PO4 | Phosphat |
| POCP | Photochemical Ozone Creation Potential |
| Q | Wärme |
| SO2 | Schwefeldioxid |
| TF | Technikfläche |
| UF | Unbebaute Fläche |
| VDI | Verein Deutscher Ingenieure |
| VF | Verkehrsfläche |
| VOFI | Vollständiger Finanzplan |
1 Einleitung
1.1 Problemstellung und Relevanz der Arbeit
Der Einsatz von erneuerbaren Energien im Wärmesektor gewinnt im Zuge der Energiewende und einer Fokussierung auf den Klimaschutz zunehmend an Bedeutung. Die Relevanz dessen und eine mögliche Umsetzung einer nachhaltigen Wärmeversorgung mit saisonalen Wärmespeichern sollen im Rahmen dieser interdisziplinären Arbeit untersucht werden.
Die Treibhausgase in der Atmosphäre sind seit Beginn der Industrialisierung angestiegen. Seitdem wurden verstärkt fossile Energieträger genutzt, welche zu dem derzeitigen Klimawandel beitragen. Dieser zeigt sich unter anderem in Extremwettererscheinungen und der globalen Erderwärmung.1
Durch internationale und nationale Bestrebungen, zum Beispiel durch das Pariser Klimaschutzabkommen oder den Klimaschutzplan 2050 in Deutschland, soll der Klimawandel retardiert werden. Ziel ist es unter anderem, die Treibhausgasemissionen zu senken und die Erderwärmung auf 2 °C zu begrenzen.2 Im Klimaschutzplan der Bundesrepublik Deutschland sind dafür verschiedene Maßnahmen definiert worden. Dazu gehören beispielsweise der Ausbau der Windenergie, die Förderung von Speichertechnologien oder der Ausbau der Stromnetze sowie die „stärkere[n] Nutzung der erneuerbaren Energien für die Erzeugung von Wärme“.3 Ein Faktor dabei ist der klimaneutrale Gebäudebestand, welcher die Effizienz der Gebäude betrifft.4 Die Klimaschutzziele können jedoch langfristig nicht nur durch die Reduktion des Energiebedarfs der Gebäude erreicht werden.5 „Es ist weder realistisch noch kosteneffizient, die Klimaschutzziele im Gebäudesektor ausschließlich über Effizienzmaßnahmen anzustreben. Ohne eine dynamische Zunahme der erneuerbaren Energien im Wärmesektor würden die Kosten für die dann zusätzlich erforderlichen Effizienzmaßnahmen erheblich steigen. Funktionsfähige Instrumente zur Durchsetzung der dann notwendigen, sehr weitgehenden Effizienz-Maßnahmen im Gebäudebestand sind zudem nicht ersichtlich.“6
Der Wärmebedarf in Deutschland hat einen Anteil von über 50 % am Endenergieverbrauch.7 Der Anteil von regenerativen Energieträgern bei der Wärmeerzeugung ist jedoch gering. Im Jahr 2016 stammten nur etwa 0,5 % der Nettowärmeerzeugung8 aus regenerativen Energieträgern.9 Der Anteil an erneuerbaren Energien für den Endenergieverbrauch bei Wärme beträgt circa 13 %, jedoch stagniert dieser Wert seit mehreren Jahren.10 Beim Einsatz von erneuerbaren Energien lassen sich sektorenübergreifende Probleme identifizieren. Die starke Volatilität dieser Energieträger erschwert eine versorgungssichere Wärmebereitstellung.11 Diese Problematik wird in Abbildung 1-1 in Bezug auf solare Energie verdeutlicht. Der Wärmebedarf in Gebäuden ist im Winter, während der Heizperiode, am größten. Die solare Einstrahlung und damit die solarthermischen Wärmegewinne sind jedoch im Sommer maximal.
Abbildung 1-1:
Unterschied Wärmebedarf und solare Strahlung pro Jahr12
Der Einsatz von saisonalen Wärmespeichern kann diese Differenz minimieren. Die Entkopplung von Wärmeerzeugung und Wärmeverbrauch ermöglicht eine dezentrale und nachhaltige Wärmeversorgung mit erneuerbaren Energien.13
Die wärmetechnische Versorgung durch solarthermisch betriebene saisonale Wärmespeicher steht dabei in direkter Konkurrenz zu anderen Wärmeversorgungssystemen, wie beispielsweise Gasbrennwertkessel, Wärmepumpen oder der Fernwärmeversorgung. Durch die dezentrale Struktur des Wärmemarktes ist die optimale Anpassung an die Anforderungen der Stakeholder essentiell.14 Die Entscheidungsfindung für eine Investition unterliegt einer Vielzahl von Annahmen und Rahmenbedingungen. Die Homogenität und der Wissensstand der Akteure sind dabei nur beispielhaft zu nennen.15
In einer zukunftsfähigen Beurteilung müssen nach heutigen Standards die drei Dimensionen der Nachhaltigkeit berücksichtigt werden. Projekte müssen ganzheitlich, langfristig und global unter den Aspekten Ökologie, Ökonomie und sozialer Verträglichkeit initiiert werden.16
Dieser Ansatz lässt sich auf Bauprojekte und Wärmeversorgungssysteme übertragen. Ökologische Faktoren, wie zum Beispiel Schadstoffemissionen oder Primärenergieverbrauch, werden teilweise durch gesetzliche Rahmenbedingungen vorgegeben. Die Wirtschaftlichkeit der Investition muss die Investitionskosten sowie die zukünftigen Kosten durch die Nutzung und den Betrieb einbeziehen. Überdies muss das technische System gesellschaftlich, sowohl vom Investor17 als auch von den Nutzern,18 akzeptiert werden. Für den konkurrenzfähigen Bau und Betrieb saisonaler Wärmespeicher müssen diese Aspekte berücksichtigt werden.
1.2 Ziele und Abgrenzung der Arbeit
Auf Grund der dargestellten Relevanz des Themas fand in den letzten Jahren ein verstärkter wissenschaftlicher Diskurs zu dem Problem der Einbindung von regenerativen Energien in die Wärmeversorgung statt.1 Der Fokus lag dabei oftmals auf einzelnen Aspekten, im Wesentlichen zur Betriebsführung, zur thermischen Auslegung oder zur Wirtschaftlichkeit von Wärmespeichern.
Die thermische Modellierung von Erdsondenwärmespeichern und die Weiterentwicklung der thermischen Transportprozesse wurden von BAUER durchgeführt.2 In der wissenschaftlichen Untersuchung von GROSS lag der Schwerpunkt auf der thermischen Optimierung und der Wirtschaftlichkeit des Fernwärmenetzes als Wärmespeicher.3 Die wissenschaftliche Arbeit von HEILEK verknüpfte den Stromsektor mit dem Wärmesektor und konnte über Modellierungsansätze Kostenoptimierungen für das Energiesystem identifizieren.4 Die wirtschaftliche Vorteilhaftigkeit von saisonalen Wärmespeichern wurde von SCHMUCK untersucht. Die Arbeit fokussierte sich auf die Wirtschaftlichkeit von Behälter- und Erdbeckenwärmespeichern. Es wurde keine Einbindung in ein Nahwärmenetz untersucht.5 Eine ganzheitliche6 Studie zu saisonalen Wärmespeichern innerhalb eines Wärmeversorgungssystems, welche unterschiedliche Bewertungskategorien einbezieht, ist demnach in der Wissenschaft bislang nicht erfolgt. Daraus ergibt sich eine Forschungslücke, welche diese Arbeit schließt.
Ziel dieser Arbeit ist somit eine interdisziplinäre Bewertung eines dezentralen solarthermisch betriebenen saisonalen Wärmespeichers zur Wärmeversorgung von Wohngebäuden. Die zentrale Forschungsfrage lautet, inwieweit ökonomische, soziale und ökologische Parameter die Marktfähigkeit saisonaler Behälterwärmespeicher beeinflussen.
Darüber hinaus werden keine weiteren Bewertungskriterien angesetzt, da diese den Umfang dieser Arbeit bei Weitem übersteigen würden. Für eine Wirkungsabschätzung wird das mit erneuerbaren Energien betriebene Wärmeversorgungssystem im Vergleich zu konventionellen Wärmeversorgungsanlagen betrachtet. Damit geht die vorliegende Arbeit weit über bestehende Analysen und Arbeiten hinaus.
Durch die gewählte Zielstellung ergeben sich für die Bearbeitung drei Schwerpunkte, welche die Arbeit strukturieren und die Fragestellung konkretisieren:
Identifikation und Optimierung der monetären Einflussparameter innerhalb einer Wirtschaftlichkeitsuntersuchung unter Berücksichtigung der Interessen möglicher Stakeholder und des Lebenszyklusansatzes,
Akzeptanzuntersuchung hinsichtlich der Kenntnisse, Bereitschaft und Hürden von Investoren,
Ansätze einer Grundlagenuntersuchung des Einflusses der ökologischen Randbedingungen und Ausblick auf die Möglichkeiten der Ökobilanzierung anhand eines Beispiels zur CO2-Bilanz.
Durch die unterschiedlichen Herangehensweisen ermöglicht diese Arbeit eine umfangreiche Lösung für die zentrale Forschungsfrage und realisiert gleichzeitig eine wissenschaftliche Tiefe. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Untersuchung der Wirtschaftlichkeit.
Auf Grund der Forschungsfrage ergeben sich zahlreiche mögliche Untersuchungsfelder. Die einzelnen Untersuchungsschritte sollen daher beispielhaft an einem Modell durchgeführt werden, welches ein Abbild der Realität darstellt. Das Modell muss die Versorgungssicherheit durch die Wärmeanlage garantieren. Die technische Funktionalität muss hierfür gegeben sein. Für die Planung und den Betrieb der Anlage wird ein Geschäftsmodell aufgestellt, welches für einen Markteintritt förderlich ist. Das erarbeitete Modell hat den Anspruch, unterschiedliche Rahmenbedingungen und Eingangsparameter flexibel zu berücksichtigen.
Die Ergebnisse ermöglichen potenziellen Investoren eine interdisziplinäre7 Bewertung für den Einsatz von saisonalen Wärmespeichern und zeigen Chancen für die Umsetzung einer nachhaltigen Wärmeversorgung auf.
1.3 Aufbau der Arbeit
Die Forschungsfrage der Arbeit, die ganzheitliche Bewertung eines nachhaltigen Wärmeversorgungssystems mit einem saisonalen Wärmespeicher, wird in sieben Kapiteln bearbeitet. Der Forschungsablauf kann in Abbildung 1-2 nachvollzogen werden.
Abbildung 1-2:
Inhaltlicher Aufbau der Arbeit
In Kapitel 1 werden die Problemstellung und die Ziele der Arbeit vorgestellt. Der Fokus liegt auf der Darstellung der Forschungsfrage sowie der vielschichtigen Lösungswege.
Anschließend werden die theoretischen Grundlagen in Kapitel 2 erläutert. Dabei wird ein Bogen von den politischen Klimazielen zu der Wärmeversorgung in der Bundesrepublik Deutschland zu dem Einsatz von erneuerbaren Energien geschlagen. Die Funktionsweise von saisonalen Wärmespeichern wird vorgestellt. Am Ende des Kapitels wird die Lebenszyklusbewertung definiert. Auf Grund des interdisziplinären Ansatzes der Arbeit ist dieses Kapitel sehr ausführlich gestaltet.
In Kapitel 3 wird das Berechnungsmodell der Gebäude und des Wärmespeichers skizziert, welches für die weiteren Ausführungen elementar ist. Hierfür müssen die technischen Rahmenbedingungen und die Bilanzgrenze für die Umsetzung eines dezentralen Wärmeversorgungssystems mit Solarthermie und saisonalem Wärmespeicher aufgestellt werden. Die Systemparameter werden aufeinander abgestimmt ausgelegt. Darüber hinaus wird ein Betreibermodell entwickelt, welches die Grundlage für die folgenden Untersuchungen bildet.
Ausgangspunkt der interdisziplinären Untersuchung ist die Wirtschaftlichkeitsberechnung des Modells in Kapitel 4. Die Ergebnisse aus Kapitel 3 bilden hierfür die Basis. Innerhalb dieses Kapitels erfolgt eine ausführliche Erläuterung der Untersuchungsmethode, der Ergebnisse und der Untersuchungsvarianten. Im Rahmen der Wirtschaftlichkeitsuntersuchung werden alle am Modell beteiligten Stakeholder einbezogen. Für diese müssen die unterschiedlichen Ziele und Rahmenbedingungen in der Berechnung kalkuliert und kombiniert werden. Da Investitionsentscheidungen mit Risiken verbunden sind, werden diese abschließend untersucht.
Als zweite Säule der Untersuchung wird in Kapitel 5 die soziale Akzeptanz fokussiert. Nach einer Beschreibung des methodischen Vorgehens sollen in diesem Abschnitt die Ergebnisse einer qualitativen empirischen Untersuchung dargestellt und entsprechende Schlussfolgerungen für das Gesamtsystem gezogen werden. Die Akzeptanzuntersuchung wird auf Grund des Umfangs der Arbeit und auf Basis der geringen Datenlage auf eine qualitative Expertenbefragung beschränkt. Dafür wurden Interviews mit Personen aus der Führungsebene von Wohnungsgesellschaften und -genossenschaften geführt. Es wurden Gebäudeeigentümer von Mehrfamilienhäusern in unterschiedlichen geografischen Siedlungsstrukturen befragt.
In Kapitel 6 wird die ganzheitliche Untersuchung durch den Ausblick auf eine Ökobilanz des saisonalen Wärmespeichers ergänzt. Hierfür wird das methodische Vorgehen von anerkannten Verfahren hinsichtlich der Kompatibilität auf das System überprüft und weiterentwickelt. Anhand der CO2-Bilanz eines Wärmespeichers wird die Wirkung der Ökobilanz beispielhaft aufgezeigt. Darüber hinaus lassen sich Synergien zwischen der Wirtschaftlichkeits- und der Akzeptanzuntersuchung aufzeigen.
Abschließend werden die Ergebnisse in Kapitel 7 zusammengeführt und bewertet. Die Arbeit schließt mit einem Ausblick für das Untersuchungsfeld.
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Politische Rahmenbedingungen der Energiewende
Für die Durchführung der Energiewende1 sind verschiedene politische Instrumentarien wie Richtlinien, Verordnungen, Gesetze sowie Förder- und Marktanreizprogramme vereinbart worden. Diese Regelungen finden sich auf internationaler, europäischer und nationaler Ebene. Sie sind weiter in regionale und kommunale Ziele aufgeteilt.2 Diese stehen im Spannungsfeld verschiedener Interessen, so dass deren Festsetzung und Umsetzung schwierig sind.3
Aus der historischen Betrachtung der energiepolitischen Entwicklungen bestimmen drei Faktoren die Aktivitäten im energiepolitischen Umfeld Europas: „erstens auf externen Schocks wie der Suezkanalkrise 1956 oder dem Gasstreit zwischen Russland und der Ukraine im Dezember 2005 und im Winter 2008/09, die die Union zum Handeln zwingen; zweitens auf dem Willen der Mitgliedstaaten, für transparente Preisgestaltung und Wettbewerb im Energiebereich durch Deregulierung und Liberalisierung zu sorgen; und drittens auf der Geschicklichkeit der Europäischen Kommission, Initiativen zum richtigen Zeitpunkt zu lancieren.“4
2.1.1 Internationale politische Instrumente
Eine einheitliche Energiepolitik1 bedarf internationaler und europäischer Regelungen zum Schutz des Klimas. Die Entwicklung dieser gestaltet sich auf Grund der unterschiedlichen Ziel- und Interessenlagen schwierig.
Der Grundgedanke der internationalen Energiepolitik war zunächst die Schaffung eines europäischen Energiebinnenmarkts. Die große Importabhängigkeit war durch die stark steigenden Ölpreise bedingt durch die Ölkrise in den 1970er Jahren in den Fokus der EU-Kommission gerückt.2 Die Umsetzung eines solchen einheitlichen europäischen Energiemarktes wurde durch die unterschiedlichen Interessen der europäischen Mitgliedstaaten verzögert.3 Letztendlich gaben die politischen Rahmenbedingungen der Jahre um 1990, wie die deutsche Wiedervereinigung, der Zusammenbruch der Sowjetunion und der Beginn des ersten Irankriegs,4 den Ausschlag für die Energiecharta, welche 1990 in Dublin ausgearbeitet und 1991 von den Mitgliedsstaaten der Europäischen Wirtschaftsgemeinschaft (EWG), den EFTA-Staaten, Japan und den USA unterzeichnet wurde.5
Die nukleare Katastrophe im Jahr 1986 im Kernkraftwerk in Tschernobyl trug zu einer verstärkten Diskussion bei, welche neben der Energiepolitik auch den Klimaschutz in den Fokus rückte.6 Die erste Klimarahmenkonvention im Jahr 1992 in Rio de Janeiro thematisierte dies. Damit wurde ein gemeinsamer internationaler Rahmen für klimapolitische Standards, wie zum Beispiel die Stabilisierung von Treibhausgasemissionen,7 geschaffen.
Diese Verpflichtungen wurden weiterführend im Kyoto-Protokoll im Jahr 1997 ausgearbeitet. Die Mitgliedsstaaten der EU und weitere Staaten verpflichteten sich dabei, die Treibhausgasemissionen zwischen 2008 bis 2012 im Vergleich zum Jahr 1990 um 8 % zu reduzieren.8 Hinzu kamen weitere Ziele für die Erhöhung der Anteile an erneuerbaren Energien und der Steigerung der Energieeffizienz.9 Das Kyoto-Protokoll wird auf Grundlage seiner internationalen Anerkennung und der vereinbarten Ziele als Meilenstein der internationalen Klimaschutzpolitik gesehen.10
In den folgenden Jahren wuchsen die Schwierigkeiten in der Europäischen Union, sich auf eine gemeinsame Klimapolitik zu einigen. Davon zeugt auch der Vertrag von Nizza aus dem Jahr 2003, welcher keine neuen Impulse setzte.11 Ab dem Jahr 2005 gab es Ansätze für die Einführung des Emissionshandels in der EU.12 Zwei Jahre später konnten diese gemeinschaftlichen Bestrebungen für einen gemeinsamen Energiemarkt in der EU durch den Vertrag von Lissabon bestätigt und ausgebaut werden. Die Verknüpfung der Energienetze und der Energiepolitik bedeutete einen entscheidenden Fortschritt.13 Fortführend muss auf den Beschluss des EU-Rates vom März 2007 hingewiesen werden, welcher das sogenannte „20-20-20-Ziel“14 beinhaltet.15 „Das inhaltliche Hauptziel besteht darin, zum Jahr 2020 die Treibhausgasemissionen um 20 Prozent gegenüber dem Bezugsjahr 1990 zu senken, den Anteil der erneuerbaren Energien am Energieendverbrauch auf 20 Prozent zu erhöhen und die Energieeffizienz um 20 Prozent zu steigern.“16 Dieser Beschluss kann als Fortführung des Kyoto-Protokolls auf EU-Ebene gesehen werden.17
Auf der Weltklimakonferenz 2011 in Cancún wurde eine Begrenzung des weltweiten Temperaturanstieges auf 2 °C politisch angestrebt, um die Auswirkungen des Klimawandels auf einen verträglichen Rahmen zu begrenzen. Dies würde eine Reduktion der Treibhausgasemissionen bis zum Jahr 2050 um 80 % bis 90 % pro Kopf im Vergleich zum Jahr 1990 bedeuten. Für Industrie- und Schwellenländer können sich durch die ambitionierten Ziele Schwierigkeiten hinsichtlich des wirtschaftlichen Wachstums ergeben. Vor diesem Hintergrund wird das „2 °C – Ziel“ immer wieder kritisch beurteilt.18
Die Weltklimakonferenzen finden jährlich statt, um wie auf der Klimarahmenkonvention vereinbart gemeinsam die Ziele voranzutreiben und dessen Erreichung zu überprüfen.19 Im Rahmen dessen konnte auf der Weltklimakonferenz 2015 in Paris ein neues Klimaschutzabkommen erarbeitet werden. Dieses sieht eine völkerrechtliche Verpflichtung aller Staaten zu nationalem Klimaschutz vor. Die Reduktion der Erderwärmung auf mindestens 2 °C wurde bestätigt und auf 1,5 °C verschärft. Gleichzeitig sollen Maßnahmen für die Dekarbonisierung der Wirtschaft ergriffen werden. Im Sinne dessen muss der Klimaschutz flexibilisiert werden.20
2.1.2 Nationale politische Instrumente
Auf nationaler Ebene begann die Energiepolitik in der Bundesrepublik Deutschland (BRD) bedeutend früher als im internationalen Raum. Ab den 1970er Jahren rückten die Themen der Energie- und Umweltpolitik verstärkt in den Vordergrund.1 1971 wurde das erste Umweltprogramm beschlossen, welches drei Kernpunkte beinhaltet:2
1 Das Verursacherprinzip: Dem Verursacher werden die Kosten von Umweltbelastungen zugeschrieben.
2 Das Vorsorgeprinzip: Es wird eine vorausschauende Umweltplanung angestrebt, welche die zukünftige Entwicklung einbeziehen muss.
3 Das Kooperationsprinzip: Die Verantwortlichkeit für den Umweltschutz liegt bei allen betroffenen Akteuren.3
Daneben wurde im Jahr 1973 das erste Energieprogramm beschlossen, welches erstmalig energiepolitische Ziele festschrieb. Dabei lag ein besonderer Fokus auf der unsicheren Situation hinsichtlich der Versorgungssicherheit. Diese wurde geprägt durch die weltpolitischen Unruhen. Die Themen Kohle, Kernenergie und Energiesparen wurden in der BRD aufgegriffen.4
Diese Entwicklung wurde im Jahr 1977 mit der Einführung des Energieeinsparungsgesetzes und der Wärmeschutzverordnung fortgesetzt. Erstmals wurde der Fokus gezielt auf das Einsparen von Energie gesetzt.5 Mit einigen Novellierungen und Anpassungen an die internationalen und europäischen Abkommen in den 1990er Jahren blieben diese Ziele bis zum Jahr 2000 bestehen.
Seit dem Jahr 2000 sind verstärkt gesetzliche und politische Regelungen im Bereich der Energie- und Klimaschutzpolitik zu verzeichnen. So wurde in diesem Jahr das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) erlassen, welches die Förderung von erneuerbaren Energien unterstützen sollte.6 Dabei liegt der Fokus auf der Stromerzeugung.7 In der Folge des EEG kann ein starker Anstieg bei dem Ausbau von Windkraftanlagen, Biomasseheizkraftwerken sowie Photovoltaikanlagen verzeichnet werden.8 Das EEG wurde in den vergangenen Jahren mehrfach novelliert und somit an Randbedingungen wie beispielsweise fortgeschriebenen europäischen Energiegesetzen angepasst.9 Der Fokus der Novellierung im Jahr 2017 lag auf den Ausschreibungsvergütungen und dem Netzausbau im Stromsektor.10
Eine ökologische Steuerreform11 wurde für den zusätzlichen Ausbau und die Nutzung von erneuerbaren Energien umgesetzt. Diese sollte eine „Lenkungswirkung in Richtung Umweltschutz“ erzielen.12 Der Anreiz zum Energiesparen mit dieser Steuerreform sollte nicht im Sinne einer CO2-Steuer, sondern als Besteuerung von Energie erfolgen, zum Beispiel auf fossile Brennstoffe.13
Die Forderungen zur Reduktion der Treibhausgasemissionen wurden in der BRD im Jahr 2000 mit den Nationalen Klimaschutzprogramm umgesetzt.14 Zu diesem Zeitpunkt wurden verschiedene Maßnahmen für die Umsetzung der internationalen Zielsetzungen festgelegt, die auch den Wärmesektor betrafen. Dazu gehört das Marktanreizprogramm (MAP), welches Technologien zur Wärmeerzeugung aus regenerativen Energien fördert.15 Darüber hinaus wurde im Jahr 2009 mit der Einführung des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) ein Instrument institutionalisiert, welches den Einsatz von erneuerbaren Energien zur Wärmeversorgung von Neubauten verpflichtend vorschreibt.16 Dieses Gesetz wurde in den vergangenen Jahren ebenfalls novelliert.
Im Jahr 2001 wurden das Energieeinsparungsgesetz und die Wärmeschutzverordnung zur Energieeinsparverordnung (EnEV) verbunden.17 Durch diese Verordnung, welche in den folgenden Jahren immer wieder novelliert wurde und somit an die energetischen Standards angepasst werden konnte, wurden die Gebäudeeffizienz und das Gebäude als ganzheitliches Konzept inklusive der Anlagentechnik festgesetzt. Ziel der EnEV ist den Energieverbrauch der Gebäude durch geeignete Maßnahmen zu reduzieren.
Vor dem Hintergrund, dass die BRD seit Beginn der klimaschutzpolitischen Bestrebungen international eine „Vorreiterrolle“ eingenommen hat, wurden 2007 das integrierte Energie- und Klimaprogramm überarbeitet.18 Die Zielvorgaben sind in Tabelle 2-1 dargestellt. Es ergeben sich zum Teil drastische Einsparungsziele, zum Beispiel für die Treibhausgasemissionen oder den Primärenergieverbrauch im Gebäudebereich. Gleichzeitig soll der Zuwachs an erneuerbaren Energien hoch sein.
| Ziele | 2011 | 2020 | 2030 | 2040 | 2050 |
| Absenkung Treibhausgasemissionen (ggü. 1990) | - 27 % | - 40 % | - 55 % | - 70 % | - 80 % |
| Anteil erneuerbarer Energien am Bruttoenergieverbrauch | 10 % | 18 % | 30 % | 45 % | 60 % |
| Anteil erneuerbarer Energien am Stromverbrauch | 16 % | 35 % | 50 % | 65 % | 80 % |
| Absenkung Primärenergieverbrauch (ggü. 2008) | - 6 % | - 20 % | - 50 % | ||
| Absenkung Stromverbrauch (ggü. 2008) | - 10 % | - 25 % | |||
| Absenkung Endenergieverbrauch Verkehrsbereich (ggü. 2008) | - 10 % | - 40 % | |||
| Absenkung Wärmebedarf Gebäudebereich (ggü. 2008) | - 20 % | ||||
| Absenkung Primärenergiebedarf Gebäudebereich (ggü. 2008) | - 80 % | ||||
| Leistung der Offshore-Windenergie | 25 GW | ||||
| Zahl der Elektrofahrzeuge | 1 Mio. | 6 Mio. | |||
| Anlagen zur CO2-Abtrennung und -speicherung | 2 |
Tabelle 2-1:
Übersicht klimapolitische Ziele Deutschland19
Insbesondere durch die Globalisierung müssen europäische und deutsche Klima- und Energiepolitik gemeinsam gedacht werden. Die Ziele werden international vorgegeben und müssen in nationales Recht umgewandelt werden.20
Neben den hier vorgestellten Maßnahmen und gesetzlichen Regelungen finden sich auf nationaler Ebene noch viele weitere Vorschriften und Gesetze, welche die Energiepolitik tangieren.21
Grundsätzlich lässt sich festhalten, dass die Energiepolitik in der BRD auf drei Säulen fußt:22
Wirtschaftlichkeit,
Versorgungssicherheit,
Umweltverträglichkeit.
Im Rahmen des Klimaschutzabkommens von Paris im Jahr 2015 wurde in der BRD der Klimaschutzplan 2050 entwickelt. Die international festgelegten Ziele wurden damit auf nationaler Ebene weitergeführt und ratifiziert.23 Dies betrifft unter anderem die Treibhausgasneutralität bis 2050.24 Diese Maßnahmen zeigen das Bestreben einer fortwährenden Erneuerung der klimaschutz- und energiepolitischen Maßgaben der BRD.
2.2 Wärmeversorgung in Deutschland
Für die Erreichung der nationalen Klimaschutzziele werden zusätzliche Maßnahmen im Sektor Wärme veranschlagt. Für die Wärmeversorgung in Deutschland sind drei Schwerpunkte für die Untersuchung zu berücksichtigen. Zunächst sollen die Grundlagen der Wärmeversorgung erläutert werden. Dabei wird der Wärmesektor in seiner Gänze analysiert und der Marktaufbau dargestellt. Daran können Schwierigkeiten und Möglichkeiten für eine erfolgreiche Implementierung der erneuerbaren Energien in diesen Bereich aufgezeigt werden. Anschließend wird der Status quo der erneuerbaren Energien in der Wärmeversorgung analysiert. Hierbei wird auf aktuelle Trends und mögliche Szenarien eingegangen. Der letzte Abschnitt dieses Kapitels stellt gezielt Betreibermodelle im Wärmesektor vor und untersucht diese hinsichtlich ihrer Potenziale für den Einsatz von erneuerbaren Energien, Wirtschaftlichkeit und sozialer Akzeptanz bezüglich der Einsatzhäufigkeit.
2.2.1 Grundlagen
Der Wärmesektor ist unterteilt in unterschiedliche Handlungsfelder. Häufig wird in diesem Zusammenhang auch der Begriff des Wärmemarktes eingesetzt, welcher zunächst theoretisch analysiert werden soll. Ein Markt wird ökonomisch beschrieben als ein „Zusammentreffen von Angebot und Nachfrage, aufgrund dessen sich Preise bilden. Märkte lassen sich nach dem Institutionalisierungsgrad, der Art des Marktzutritts, dem Autonomiegrad der Marktteilnehmer und den vorherrschenden Präferenzen unterscheiden.“1 Der Wärmemarkt lässt sich in diese Definition einordnen. Entgegen früherer Definitionen wird der Wärmemarkt heute nur noch bedingt als einheitlich beschrieben. Dies trifft nur auf die erste Systementscheidung des Eigentümers zu, nicht aber auf die Nutzungs- und Betriebszeit mit der notwendigen Wärmebeschaffung.2 Vereinfacht gesagt, gibt es eine ganzheitlich freie Marktentscheidung bei der ersten Auswahl des Wärmeversorgungssystems, bei der anschließenden Lieferung der Brennstoffe wird der Markt jedoch aufgeteilt. Hinzu kommt, dass Heizungssysteme auf Grund der hohen Anschaffungskosten und des technischen Aufwandes nur selten während ihrer Betriebsdauer ausgewechselt oder modernisiert werden.3
Wie dargestellt, ist der Wärmemarkt an sich nicht einheitlich. Er ist vielmehr sehr vielschichtig und setzt sich aus verschiedenen Aspekten zusammen, welche berücksichtigt und zum Verständnis klar voneinander getrennt werden müssen.4 Dazu zählen die eingesetzten Energieträger, die verschiedenen Betreiberkonzepte für die Wärmeversorgung und die verschiedenen Abnehmer der Wärme. Der Wärmemarkt ist im Gegensatz zum Strommarkt inhomogen organisiert. Er wird nicht national oder gar international gesteuert, sondern befindet sich in einem lokal beschränkten Handlungsraum.5
Der Wärmesektor allgemein kann mit folgenden Merkmalen beschrieben werden:
„große[n] Heterogenität und hohe[n] Komplexität, was die Eigentümer und Betreiber, die Heiztechnologien und Anlagengrößen sowie die Gebäudetypen betrifft,
sehr starke Abhängigkeit von der Entwicklung global geprägter fossiler Energiepreise,
kontinuierlich zunehmende Verschränkung mit dem Stromsektor.“6
Diese drei Faktoren verdeutlichen bereits, wie komplex sich der Wärmesektor darstellt. Im Gegensatz zum Stromsektor, welcher in einem gewissen Maße einheitlich organisiert ist, ergeben sich somit völlig andere Voraussetzungen für eine erfolgreiche Energiewende. Die Vielzahl der Akteure, welche sich in keinem einheitlichen Markt bewegen, verhindert eine aktive Steuerung und erschwert somit zusätzlich eine Energiewende in diesem Bereich. Es gilt daher umso mehr, mögliche Synergieeffekte aus der Kopplung der Sektoren zu nutzen.7 Aber nicht nur die Verknüpfung mit anderen Sektoren, sondern die ganzheitliche Betrachtung von Gebäuden und Wärmeversorgung ist für eine optimale Lösung essentiell und muss zukünftig eine noch stärkere Beachtung in der Planung finden.8
Die Wärmeversorgung wird in zentrale und dezentrale Systeme unterschieden. Zentrale Anlagen sind beispielsweise Fernwärmeversorgungen durch Heizwerke oder Kraft-Wärme-Kopplung (KWK-Anlagen). Im Gegensatz dazu wird bei dezentralen Anlagen die Wärme bei dem Verbraucher, beispielsweise Einfamilienhäuser oder Siedlungsstrukturen, bereitgestellt, zum Beispiel durch Heizkessel oder Wärmepumpen.9 Insbesondere erneuerbare Energien ermöglichen eine dezentrale Wärmeversorgung und können somit zur Erreichung der Klimaziele und zur Minderung der Importabhängigkeit von fossilen Brennstoffen beitragen.10
Für die zukünftige Wärmeversorgung lassen sich verschiedene Trends erkennen, welche in Abbildung 2-1 veranschaulicht sind. Diese wurden in unterschiedlichen Studien untersucht. Grundsätzlich lassen sich Tendenzen feststellen, welche in unterschiedlichen Ausprägungen und Möglichkeiten umgesetzt werden können. Abbildung 2-1 stellt nicht nur die Maßnahmen dar, sondern zeigt darüber hinaus, dass diese sinnvoll verknüpft werden müssen. So bestehen zwischen den Trends Interdependenzen, welche in die zukünftigen Entwicklungen einbezogen werden sollten. Die Digitalisierung bietet neue Möglichkeiten im Rahmen der Dezentralisierungen durch das Angebot von virtuellen Kraftwerken. Gleichzeitig müssen für dezentrale Systeme die lokalen Verbrauchs- oder Speicheranlagen vorhanden sein. Die Trendentwicklung greift die festgesetzten Sektorenziele aus Tabelle 2-1 auf. Die relevanten Sektoren der nachhaltigen Energiepolitik sind Strom, Wärme und Verkehr. Ziel ist es unter anderem diese optimal zu verknüpfen.11 Eine Stellschraube dafür stellen Power-to-X-Technologien (P2X) dar.12 Überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien wird dabei zum Beispiel in Wärme (Power-to-heat) oder Gas (Power-to-gas) umgewandelt.13
Abbildung 2-1:
Trends der Wärmewende14
Der Wärmemarkt kann in verschiedene Handlungs- und Untersuchungsfelder aufgeteilt werden, welche in den folgenden Kapiteln näher untersucht werden:
Wärmeabnehmer,
Energieträger und
Betreiberkonzepte (Wärmeversorger).
2.2.2 Struktur der Wärmeabnehmer
Die Wärmeabnehmer lassen sich in drei Verbrauchssektoren unterteilen:1
Private Haushalte,
Gewerbe, Handel und Dienstleistung (GHD) und
Industrie.
Diese Sektoren haben einen unterschiedlichen Wärmebedarf,2 welcher deren spezifischen Anwendungen geschuldet ist.
In Abbildung 2-2 wird ersichtlich, dass der größte Anteil des Wärmebedarfs mit 2.151 PJ in Deutschland auf die privaten Haushalte entfällt. Dabei ist wiederum der Bedarf an Raumwärme mit 77,4 % (1.664 PJ von 2.151 PJ) am höchsten. Der Wärmebedarf beträgt 1.888 PJ in der Industrie und 892 PJ im Gewerbe, Handel und Dienstleistungen. Insgesamt ergibt sich ein Wärmebedarf über alle Verbrauchssektoren mit 51,6 % für Raumwärme, 39,7 % für Prozesswärme und 8,7 % für Warmwasser.
Abbildung 2-2:
Wärmebedarf nach Verbrauchersektoren im Jahr 20163
Der Energieverbrauch4 für Raumwärme bei privaten Haushalten unterliegt jährlichen Schwankungen, welche in Abbildung 2-3 dargestellt sind. Diese können durch die Temperaturschwankungen im Vergleich der Betrachtungsjahre, der demografische Entwicklung und dem gestiegenen Wohnraumbedarf pro Kopf erklärt werden.5 Circa 50 % des Endenergieverbrauchs des Gesamtwärmebedarfs in Höhe von 4.931 PJ wird für die Raumwärme benötigt.6
Im Gegensatz dazu steht jedoch die Einsparung von Raumwärme durch die gestiegenen Anforderungen an die Energieeffizienz der Gebäudehülle in Folge der Erhöhung der baulichen Standards.7 Der Endenergieverbrauch von Bestandsgebäuden kann durch Sanierungstätigkeiten drastisch gesenkt werden.8 Übereinstimmende Studien gehen daher von einem sinkenden Wärmebedarf bis 2050 in Deutschland aus.9
Abbildung 2-3:
Entwicklung Endenergieverbrauch Raumwärme private Haushalte10
Jedoch bleibt bei hoch gedämmten Gebäuden ein Anteil an Wärmebedarf bestehen.11 Dieser wird im Sinne der Energie- und Klimapolitik bestenfalls durch erneuerbare Energien zur Wärmeerzeugung gedeckt.12 Es zeigt sich weiterhin, dass eine stetige Erhöhung der Energieeffizienz der Gebäudehülle nicht kosteneffizient ist.13
2.2.3 Energieträger im Wärmesektor
Wie bereits in der Einleitung1 dargestellt, entfallen circa 50 % des Endenergieverbrauchs in Deutschland auf den Sektor Wärme.2 Der Wärmeverbrauch lässt sich gemäß Abbildung 2-4 in verschiedene Energieträger aufgliedern. Der Anteil stagniert in den letzten Jahren bei 10 % bis 13 %.3 Im Gegensatz dazu wird fast viermal mehr Wärme aus Öl und Gas erzeugt. Der Anteil von Wärme aus Kohle ist eher gering. Fernwärme kann auf Grund der benötigten Infrastruktur nur partiell eingesetzt werden. Darüber hinaus lässt sich ein schwacher Rückgang für Mineralöle und Fernwärme feststellen.
Abbildung 2-4:
Wärmemix in Deutschland (alle Verbrauchssektoren)4
Den größten Anteil an erneuerbaren Energien nimmt die Biomasse mit 87,5 % ein, wie die Abbildung 2-5 zeigt. Dies wird unter anderem durch die gute lokale Verfügbarkeit und die gesetzliche Förderung begünstigt.5 Des Weiteren sind die Kosten im Vergleich zu anderen nachhaltigen Systemen durch die vielfältige Nutzung geringer. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass unter dem Begriff Bioenergie viele unterschiedliche Rohstoffe zusammengefasst werden.
Abbildung 2-5:
Wärmeverbrauch aus erneuerbaren Energien 20166
Problematisch für den Ausbau der erneuerbaren Energien innerhalb der Wärmeversorgung ist die Marktstruktur. Derzeit herrscht große Unsicherheit bezüglich der künftigen Entwicklung der Wärmeinfrastruktur. Dadurch entsteht ein hohes Investitionsrisiko, welches viele Eigentümer und Investoren scheuen.7 Dazu kommen, wie bereits erwähnt, die hohen Investitionskosten in Wärmeversorgungsanlagen sowie fehlendes Wissen und damit verbundene weitere Unsicherheiten.8 Weiterhin lässt sich eine Diskontinuität innerhalb der politischen Zielsetzung feststellen. Dies zeigt sich durch wechselnde Förderbedingungen und durch mangelnde richtungsweisende politische Entscheidungen.9 Soziale Strukturen verstärken diesen Effekt, etwa durch die geringe Eigentümerquote10 von 45,5 % im Jahr 2014 in Deutschland.11 Dadurch muss bei Investitionen immer das Investor-Nutzer-Dilemma12 beachtet werden.13 Es muss somit gezielt auf die Voraussetzungen und Gegebenheiten des Wärmemarktes bei seiner zukünftigen Entwicklung eingegangen werden.14 Die stark volatile Erzeugung durch erneuerbare Energien erschwert eine versorgungssichere Wärmebereitstellung.15 Um dieses Hindernis zu überwinden, muss eine Speichermöglichkeit für die Energie zur Verfügung stehen.16 Die Potenziale von erneuerbaren Energien sind zum derzeitigen Zeitpunkt nicht ausgeschöpft.17
Für die Versorgung mit Wärme und der Wahl eines Versorgungssystems müssen gegebenenfalls rechtliche Bestimmungen beachtet werden. So sind in einigen Gebieten Anschlusspflichten für Fernwärme vorzufinden. Dies wird in Bebauungsplänen geregelt und kann insbesondere Neubaugebiete betreffen.18
Im vorherigen Abschnitt ist die Bedeutung der privaten Haushalte für den Endenergieverbrauch im Sektor Wärme verdeutlicht wurden, so dass der Energiemix für die Wärmeversorgung der privaten Haushalte noch einmal gesondert betrachtet werden soll. Abbildung 2-6 zeigt, dass der Anteil von Fernwärme, das heißt zentraler Wärmeversorgung, im privaten Bereich gering ist im Vergleich zu einer dezentralen Versorgung mit Heizkesseln, welche mit Mineralölen und Gasen betrieben werden. Die am häufigsten vertretenen Energieträger für die Versorgung sind Gas und Mineralöl sowie erneuerbare Energien.
Abbildung 2-6:
Wärmemix der privaten Haushalte für das Jahr 201619
Für die Wahl einer Versorgungsanlage sind in privaten Haushalten unter anderem die Nutzungskosten20, welche im Wesentlichen die Energiekosten darstellen21, entscheidend. Die Entwicklung der zukünftigen Energiepreise ist jedoch von unterschiedlichen externen Faktoren abhängig, so dass eine Einschätzung der Entwicklung erschwert wird. Externe Faktoren sind zum Beispiel politische und wirtschaftliche Krisen sowie die technische Entwicklung. Auffällig in Abbildung 2-7 ist ein steigender Trend für Strom22 in den vergangenen Jahren, während die Preise für Fernwärme, Mineralöl, Erdgas und Holzpellets relativ stabil bleiben.
Abbildung 2-7:
Entwicklung Energiepreise23
Die Versorgung mit Wärme und die Wahl der Brennstoffe sind von der Art des Betriebes abhängig. Es ist somit unerlässlich, nachfolgend die Akteure am Wärmemarkt zu betrachten.
2.2.4 Akteure und Betreiberkonzepte am Wärmemarkt
Nachdem im vorangegangenen Kapitel eine Unterteilung des Wärmesektors in die Energieträger durchgeführt wurde, sollen im Folgenden die beteiligten Akteure in dem Sektor erläutert werden. In Deutschland existiert eine Vielzahl von Anbietern im Wärmesektor.1 Neben diesen zahlreichen Anbietern stehen verschiedene Technologien zur Versorgung bereit. Bei der Sanierung oder dem Neubau eines Gebäudes muss somit unter verschiedenen Gesichtspunkten eine Wahl für die Wärmeversorgung getroffen werden. Dabei haben unterschiedliche Konzepte und Technologien verschiedene Vor- und Nachteile. Die individuellen Randbedingungen sind darüber hinaus zu berücksichtigen.
In Deutschland stehen unterschiedliche Beheizungsarten zur Verfügung, welche nach ihren Anteilen in Tabelle 2-2 dargestellt sind. Den größten Anteil besitzen dabei Zentralheizungen, welche auf konventionellen Energieträgern beruhen. Heizungen, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden, sind nur in geringem Maße vorhanden.
| Heizung | Wohngebäude | Wohnungen |
| Zentralheizung | 78,4 % | 70,4 % |
| Erdgas-Zentralheizung | 40,5 % | 36,1 % |
| Öl-Zentralheizung | 28,9 % | 26,2 % |
| Holz-/Pellets-Zentralheizung | 2,2 % | 2,0 % |
| Elektro-Wärmepumpe | 2,2 % | 2,1 % |
| Sonstige Zentralheizung | 4,6 % | 4,0 % |
| Erdgas-Etagenheizung | 6,4 % | 9,8 % |
| Fernwärmeheizung | 5,2 % | 13,5 % |
| Einzelheizung | 5,1 % | 6,1 % |
| Strom-Nachtspeicherheizung | 1,8 % | 2,0 % |
| Holz-/Pelleteinzelofen | 0,9 % | 1,1 % |
| Gaseinzelofen | 0,8 % | 1,1 % |
| Sonstige Einzelheizung | 1,6 % | 1,9 % |
| Sonstiges Heizsystem | 4,5 % | 0,2 % |
| Keine Angabe | 0,4 % | - |
Tabelle 2-2:
Beheizungsarten Deutschland 20152
Für die Versorgung mit Wärme in Deutschland stehen unterschiedliche Betreiberkonzepte und Versorgungsmöglichkeiten zur Verfügung. Die wichtigsten sind:
1 Lieferung Energieträger, z.B. Gas, Heizöl, Holz/Holzpellets, Strom,
2 Fernwärmeunternehmen und Lieferung von Fernwärme,
3 Wärmecontracting.
Das Wärmecontracting ist dabei gesondert zu betrachten, da es sich hierbei um ein reines Vertragsmodell handelt.
Die verschiedenen Betreiberkonzepte unterscheiden sich in ihrer Betriebsweise und den Vertragsbedingungen mit dem Wärmeabnehmer. Sie sollen im Folgenden jeweils kurz beschrieben werden.
2.2.4.1 Lieferung Energieträger
Im dezentralen Wärmeversorgungsbereich, beispielsweise durch einen Heizkessel oder eine Wärmepumpe, müssen die Energieträger oder die Brennstoffe an den Kunden geliefert werden. Diese Lieferung kann bedarfsabhängig, beispielsweise bei der Lieferung von Gas an den Hausanschluss, oder vorrätig, zum Beispiel bei der Lieferung von Heizöl oder Pellets, erfolgen.1 Wie bereits dargestellt, ist dies die häufigste Versorgungsart mit Wärme in Deutschland. Durch den eigenen Betrieb und die eigene Investition besteht jedoch die Gefahr einer Überalterung der Heizungsanlage, wie die Untersuchung des BDEW in Abbildung 2-8 nachweist. Es zeigt sich insbesondere bei Mehrfamilienhäusern ein Modernisierungsbedarf, da zum Zeitpunkt der Untersuchung 26 % der Anlagen älter als 25 Jahre waren. Mehr als die Hälfte der Heizungen in diesen Gebäuden wurde vor dem Jahr 2000 installiert und entsprechen nicht dem heutigen Stand der Technik. Das durchschnittliche Heizungsalter beträgt für Wohnungen 16,6 Jahre, für Ein- und Zweifamilienhäuser 15,9 Jahre und für Mehrfamilienhäuser 20,1 Jahre.
Abbildung 2-8:
Alter der Heizungsanlagen2
Neben den Investitionskosten der Anlage müssen die Nutzungs- und Betriebskosten, wie zum Beispiel Kosten für Wartung und Instandsetzung, einberechnet werden. Dazu kommen die Kosten für die Brennstoffe, welche wie im vorherigen Abschnitt gezeigt, zum Teil schwanken können. Die Risiken des Betriebes sind somit von den Brennstoffkosten und den Wartungskosten abhängig und müssen vom Eigentümer getragen werden. Der Einsatz von den jeweiligen Energieträgern muss in diesem Fall in Abhängigkeit der Wohnform, Mehrfamilienhäuser oder Einfamilienhäuser und der geografischen Lage in Deutschland betrachtet werden.3 Auf Grund des Umfanges dieser Arbeit soll auf die einzelnen Anlagenvarianten zur Wärmeversorgung nicht näher eingegangen werden. Die Anschaffungs- und Betriebskosten variieren zum Teil stark hinsichtlich der unterschiedlichen Versorgungsanlagen. Für die Lieferung der Brennstoffe wird ein Vertrag mit dem Lieferanten abgeschlossen.4
2.2.4.2 Fernwärmeversorgung
Die Fernwärmeversorgung in Deutschland ist definiert als „Wärme beliebiger Herkunft, die mit Hilfe eines Trägermediums (meistens Heizwasser oder Dampf) gewerblich aufgrund eines Vertrages gegen Entgelt geliefert wird und mit deren Lieferung keine eigenen mietrechtlichen Nebenverpflichtungen erfüllt werden. Auf jede Form der Wärmelieferung ist die AVBFernwärmeV anzuwenden.“1 Die Definition der Fernwärme ist nicht eindeutig, da beispielsweise nicht zwischen Fern- und Nahwärme differenziert wird und Eigentumsverhältnisse nicht geklärt sind.2
Fernwärme zur Wärmeversorgung von Gebäuden existiert in Deutschland, wie in Abschnitt 2.2.3 dargestellt, deutlich weniger als Einzelheizungen. Jedoch lässt sich insbesondere im Osten Deutschlands eine stärker ausgebaute Struktur vorfinden.3 Ein verstärkter Ausbau der Infrastruktur in diesem Bereich lässt sich nicht feststellen, welcher durch die politische Fokussierung auf andere Schwerpunkte der Energiepolitik, wie zum Beispiel Gebäudeeffizienz und Stromausbau, zu begründen ist.4 Der Verbrauch von Fernwärme ist seit 2002 angestiegen, wie Abbildung 2-9 zeigt. Dieser Anstieg lässt sich unter anderem durch das verabschiedete KWK-Gesetz und der daraus folgenden Förderung erklären.5 Danach lassen sich jedoch immer wieder Schwankungen und kein stärkerer Ausbau erkennen.
Der Ausbau der Infrastruktur und die damit verbundenen Kosten können für die zukünftige Nutzung von Fernwärme ein Problem darstellen.6
Fernwärme kann über fossile oder erneuerbare Energien zur Verfügung gestellt werden. Die Wärme wird in zentralen Heizkraftwerken erzeugt. Abbildung 2-10 verdeutlicht die Verteilung der Energieträger bei der Wärmeerzeugung. Aus fossilen Brennstoffen wird bislang 78 % der Wärme bereitgestellt.
Abbildung 2-9:
Verbrauch von Fernwärme in Deutschland von 1990 bis 20167
Abbildung 2-10:
Wärmeerzeugung Fernwärme im Jahr 20168
Die Fernwärme ist jedoch im Besonderen geeignet, erneuerbare Energien einzubeziehen.9 Dies kann auf verschiedene Weisen erfolgen, wie zum Beispiel durch Erdwärme oder industrielle Abwärme.10 So stellen Fernwärmenetze eine Flexibilitätsoption für KWK-Anlagen dar, welche auch den Einsatz von erneuerbarem Strom im Wärmesektor, zum Beispiel über Power-to-heat, ermöglichen.11 Überdies können solarthermische Anlagen in Wärmenetze eingebunden werden. Beispielhaft dafür sind die Anlagen in Dänemark zu nennen.12 Die Möglichkeiten der Fernwärmenutzung in Deutschland sind in Abbildung 2-11 dargestellt. Für die erfolgreiche Implementierung von Fernwärmenetzen sollten die Bürger in den Planungsprozess eingebunden werden. Dadurch können die Vorteile der Netzstruktur und die Kostenentwicklungen transparent dargestellt werden.
Abbildung 2-11:
Leitlinien Fernwärmestrategie13
Kritisch bei der Fernwärmeversorgung müssen die zum Teil intransparente Preisstruktur14 sowie die Wärmeverluste in den Netzen gesehen werden. Die Aufwendungen der Pumpleistungen für den Transport der Wärme sind ebenfalls nicht unerheblich.15
2.2.4.3 Wärmecontracting
Das Wärmecontracting wird gesondert als ein Vertragsmodell für die Wärmeversorgung vorgestellt. Es kann als eine Art Finanzierungsmodell für die Wärmeversorgung gesehen werden, da die Energieversorgung auf verschiedenen bereits vorgestellten Konzepten beruhen kann.1 Der Fernwärmesektor kann nicht pauschal mit dem Contracting gleichgesetzt werden.2
In der DIN 8930-5 wird Contracting definiert als „die zeitlich und räumlich abgegrenzte Übertragung von Aufgaben der Energiebereitstellung und Energielieferung auf einen Dritten, der im eigenen Namen und auf eigene Rechnung handelt. Gegenstand des Contractings sind die Nutzenergien Wärme, Kälte, Druckluft und Beleuchtung“.3 Die Wärmelieferung wird somit als Dienstleistung abgegrenzt. Der Gebäudeeigentümer ist nur für die Technik ab der Wärmeübergabestation innerhalb der Immobilie zuständig.4
Contracting wird unterschieden in das Energieliefer-, das Einspar-, das Finanzierungscontracting und das technische Anlagenmanagement.5 Daneben gibt es Sonder- und Mischformen.6 Bei diesen stehen unterschiedliche Themen im Fokus und es ergeben sich somit verschiedene Anwendungsgebiete. Abbildung 2-12 stellt die Marktaufteilung für die vorgestellten Arten dar. Danach bildet das Energieliefercontracting mit 88 % den wichtigsten Bereich.
Abbildung 2-12:
Marktanteile Contractingarten7
Die durchschnittliche Vertragslaufzeit beläuft sich, je nach Contractingart, auf 2 bis 20 Jahre.8 Im Jahr 2011 gab es in Deutschland circa 90.000 bis 100.000 Contractingverträge, welche meist mit der Wohnungswirtschaft abgeschlossen wurden.9
Im Rahmen des Energieliefercontractings wird die Anlage durch den Contractor geplant, errichtet, finanziert und betrieben. Diese befindet sich somit während der Vertragslaufzeit im Eigentum des Contractors. Zur Finanzierung der Investition erhebt der Contractor eine Jahresgebühr und eine verbrauchsabhängige Vergütung.10
Ähnlich wie beim Energieliefercontracting wird die Anlage beim Energieeinsparcontracting durch den Contractor geplant, errichtet, finanziert und betrieben. Zu der Anlage gehören hierbei jedoch zusätzlich die Verteilstationen und andere Bauteile für die Energieversorgung. Ein wesentlicher Aspekt ist hierbei die zugesicherte Energieeinsparung für den Nutzer.11
Die Zuständigkeiten des Contractors sind beim technischen Anlagenmanagement ähnlich wie beim Energieliefercontracting. Die Anlage kann jedoch darüber hinaus ein Bestandsobjekt sein. Die Abrechnung erfolgt dabei meist pauschal.12
Im Gegensatz dazu sind der Betrieb und die Instandhaltung beim Finanzierungscontracting in der Hand des Nutzers. Der Contractor übernimmt nur die Planung, die Finanzierung und den Bau.13
Das Wärmecontracting bietet in seiner vertraglichen Vielfalt, unter anderem für den Einsatz von erneuerbaren Energien, individuelle Vorteile und Nachteile. Diese sind zum Teil abhängig von der gewählten Contractingart.
Die Vorteile des Contracting liegen im geringen Investitionsvolumen und dem überschaubaren Planungsaufwand für den Nutzer. Ihm werden vertraglich Wartung, Instandsetzung und Versorgungssicherheit zugesichert. Durch die geringen Anfangsinvestitionen für den Contractingnehmer können der Einsatz von erneuerbaren Energien und effizienter Technik ermöglicht werden. Der Contractingnehmer hat Kosteneinsparungen, da dieser ein Leistungspaket angeboten bekommt.14
Für die optimale Umsetzung des Konzeptes sind jedoch umfangreiche Vorbereitungen, eine frühzeitige Ausschreibung und eine frühe Festlegung der Verbrauchsdaten und Leistungen notwendig. Zudem können sich die langen Vertragslaufzeiten sowie Interessenskonflikte der Partner nachteilig auswirken. Im Rahmen der Entscheidungsfindung sollten zur Risikominimierung Sensitivitätsanalysen durchgeführt werden.15
2.2.5 Zusammenfassung zur Wärmeversorgung in Deutschland
Die dargestellten Ergebnisse zeigen ein vielschichtiges Bild der Wärmeversorgung in Deutschland. Neben den unterschiedlichen Energieträgern, welche eingesetzt werden können, gibt es verschiedene Betreiberkonzepte zur Versorgung. Eine einheitliche Struktur ergibt sich im Wärmesektor nicht. Eine flächendeckende Energiewende wird erschwert, da keine zentrale Umsetzung möglich ist. Es muss jeweils spezifisch auf die gegebenen Rahmenbedingungen und Voraussetzungen eingegangen werden.
„In Deutschland fehlt es an einer langfristig orientierten Wärmepolitik, die Gebäudeeffizienz, Anlagentechnik und soziale Aspekte integriert betrachtet und diese auch als planerische Aufgabe staatlicher Infrastrukturpolitik begreift.“1
Es lassen sich unterschiedliche Chancen und Hemmnisse für eine Wärmewende feststellen:2
Technik,
Ökonomie,
Ökologie,
Soziales,
Organisation.
Diese Aspekte werden in unterschiedlichen Bearbeitungstiefen im Rahmen dieser Arbeit in Bezug auf eine spezifische Art der Wärmeversorgung untersucht.
Die Energiewende im Bereich der Wärmeversorgung ist schwieriger als im Stromsektor.3 Wie im Bauwesen allgemein können verschiedene Konzepte, welche an die unterschiedlichen Rahmenbedingungen angepasst sein müssen, zum Erfolg beitragen. Wie bereits in Kapitel 1.1 dargestellt, stellt insbesondere die zeitlich konzentrierte Nachfrage in den Wintermonaten eine Herausforderung für die Einbindung von einigen erneuerbaren Energien dar. Diese könnte durch Speicherkonzepte überwunden werden.
2.3 Wärmespeicher
Im vorherigen Abschnitt wurde der Status quo der Wärmeversorgung in Deutschland dargestellt. Die unterschiedlichen Wärmeabnehmer, technischen Anlagenkonzepte und lokale Gegebenheiten benötigen flexibel anpassbare Systeme für die Integration erneuerbare Energien im Wärmesektor. Dafür steht eine Vielzahl von Speicheranlagen zur Verfügung, welche im folgenden Abschnitt vorgestellt werden sollen.
„Wir haben kein Energiespeicherproblem, wir haben eher die Qual der Wahl zwischen all den Flexibilitäts- und Speicheroptionen.“1
Neben der Möglichkeit Wärmespeicher als Teil einer nachhaltigen Wärmeversorgung einzusetzen, stehen Stromspeicher zur Verfügung. Dafür könnte beispielsweise eine Photovoltaikanlage mit einem Stromspeicher und einer Wärmepumpe gekoppelt werden. Diese Speicher werden in der vorliegenden Untersuchung nicht in Betracht gezogen, da die Investitionskosten sehr hoch sind und die Wirkungsgrade bei dem derzeitigen Forschungsstand für das gewählte Modell2 nicht effizient sind.3 Eine Betrachtung der Marktfähigkeit wie in dieser Arbeit durchgeführt wird somit als nicht plausibel eingestuft.
2.3.1 Grundlagen der Wärmespeicherung
Eine Differenzierung von Wärmespeichern kann auf mehreren Arten erfolgen. Zum einen anhand der Speicherdauer und des Speicherstandortes, zum anderen anhand des Speichermediums. Weitere Klassifikationsmöglichkeiten nach Temperaturniveau, Speicherkapazität und thermischer Leistung sind möglich.1 Abbildung 2-13 bietet einen Überblick über die verschiedenen Arten von Wärmespeichern hinsichtlich der Speicherdauer und des Speichermediums.
Abbildung 2-13:
Übersicht Wärmespeicherung nach Speicherdauer und -medium
Die Speicherdauer beschreibt den Zeitraum zwischen Be- und Entladung des Speichers. Man differenziert in Kurzzeitspeicher, welche Wärme oder andere zu speichernde Energien einige Stunden bis Tage speichern, und Langzeitspeicher, welche die Energie bis zu mehreren Monaten, das heißt saisonal, speichern können. Die technischen Anlagen der Speicherung unterschieden sich hierbei. Die gespeicherten Energiemengen sind bei einem Kurzzeitspeicher viel geringer als bei einem Langzeitspeicher, weswegen sie für die weiteren Untersuchungen nicht in Betracht gezogen werden. Gleichzeitig verändern sich mit der Dauer der Speicherung die Lade- und Entladeleistungen.2
Die Eigenschaften der verschiedenen Speichertechnologien sind in Tabelle 2-3 aufgeführt. Deutliche Unterschiede zeigen sich in den Speicherkapazitäten, den Energiedichten, den Speicherdauern und den Kosten der Speicher. Die Unterschiede sind durch die verschiedenen Entwicklungsstände der Speichertechnologien zu erklären. Wie in Tabelle 2-3 dargestellt, ist die spezifische Wärmespeicherkapazität3 von Wasserspeichern in der Regel höher als bei latenten oder thermochemischen Speichern, jedoch liegt die Effizienz auf Grund der deutlich geringeren Energiedichte unterhalb der möglichen Werte der anderen Systeme. Auf der anderen Seite sind die relativen Baukosten für Wärmespeicher mit einem sensiblen Speichermaterial deutlich niedriger.4 Auf Grund des Temperaturunterschiedes zwischen dem Speichermedium und der Umgebung ist bei diesen Speichern auf die Wärmedämmung besonders zu achten.5 Zusätzlich dazu stellt das optimale Oberflächen-Volumen-Verhältnis einen Erfolgsfaktor dar.6
| Speichertechnologie | Speicherprinzip | Leistung | Wärmekapazität | Speicherdauer | Energiedichte | Effizienz | Lebensdauer | Kosten | ||
| MW | MWh | Zeit | kWh/t | kWh/m³ | % | Zyklenzahl | $/kWh | €/kWh-Nutzen | ||
| Sensible Wasserspeicher | Thermisch | < 10 | < 100 | Stunde – Jahr | 10 – 50 | < 60 | 0,5 – 0,9 | ~ 5.000 | 0,1 – 13 | 0,01 |
| Latente Wärmespeicher (PCM) | Thermisch | < 10 | < 10 | Stunde – Woche | 50 – 150 | < 120 | 0,75 – 0,9 | ~ 5.000 | 13 – 65 | 1,3 – 6 |
| Thermochemische Speicher (TCS) | Thermisch | <1 | < 10 | Stunde – Woche | 120 – 250 | 120 – 250 | 0,8 – 1 | ~ 3.500 | 10 – 130 | 1 – 5 |
Tabelle 2-3:
Typische Eigenschaften der Speichertechnologien7
Sensible Wärmespeicher basieren auf der Energieaufnahme und -abgabe durch Temperatur-änderung des Speichermediums.8 Dazu können als Speichermedien sowohl feste Stoffe, wie zum Beispiel Beton, oder flüssige Stoffe, wie beispielsweise Wasser, dienen. Zu den sensiblen Wärmespeichern werden die Bauarten Behälter-, Erdbecken-, Erdsonden- und Aquiferwärmespeicher gezählt. Auch Kies-Wasser-Gemische sind in sensiblen Wärmespeichern zum Beispiel als Behälter- oder Beckenspeicher möglich. Im Fokus der weiteren Bearbeitung werden Behälter-wärmespeicher stehen, da diese weitgehend unabhängig von den geologischen und hydrogeologischen Bodenverhältnissen vor Ort errichtet werden können. Aufgrund ihrer Bauweise und des verwendeten Speichermediums Wasser können sie darüber hinaus risikoarm betrieben und einfach instandgehalten werden. Der einfache Rückbau und die moderaten Investitionskosten sind Vorteile des Speichermediums Wasser.
Latente Wärmespeicher beruhen auf dem Prinzip der Wärmeaufnahme und -abgabe durch Phasenwechsel. Dieser kann von fest zu flüssig oder von flüssig zu gasförmig und umgekehrt erfolgen. Dabei kommen phase change materials (PCM), das heißt Materialien, welche ihren Aggregatszustand verändern können, zum Einsatz. Bei der Aggregatszustandsänderung von fest zu flüssig ist die Volumenänderungen im Gegensatz zu flüssig zu gasförmig meist gering (< 10 %), so dass diese in die Konstruktion einbezogen werden können.9 Ein Beispiel für Latentwärmespeicher sind Eisspeicherheizungsanlagen, in denen Wasser zu Eis gefriert und wieder taut. Durch diesen Vorgang kann Wärme aufgenommen oder abgegeben werden. Im Fokus der derzeitigen Untersuchungen steht die Einbindung von PCM in die Gebäudehülle, so dass in innerstädtischen Bereichen der Platzbedarf reduziert wird.10
Ein Vorteil von Latentwärmespeichern liegt in der höheren Energiedichte, so dass sie mehr thermische Energie bei geringerer Temperaturänderung speichern können. Dies begünstigt eine kompakte Bauweise. Die Temperatur beim Be- und Entladen bleibt dabei konstant. Die Pumpfähigkeit des Speichermediums ist unabhängig vom Aggregatszustand, so dass die Transportfähigkeit von Wärme ermöglicht wird.11 Jedoch sind die Investitionskosten für diese Speicherart, wie Tabelle 2-3 zeigt, höher als bei sensiblen Wärmespeichern.
Die dritte Art von Wärmespeichern sind thermochemische Speicher, welche auf zwei Prozessarten beruhen können. Zum einen steht die Möglichkeit von Sorptionsspeichern zur Verfügung, zum anderen können reversible chemische Verbindungen genutzt werden. Bei der Sorption kann auf Silicatgele oder Zeolithe als Träger zurückgegriffen werden. Die Wärme wird meist über Wasserdampf in den Speicher eingeleitet, welcher sich in diesem an das Sorptionsmaterial anlagert. Sorption ist bei der Speicherung ein physikalischer Prozess. Die Technologie eignet sich bei der Nutzung von industrieller Abwärme.12 Sie findet ebenfalls Anwendung bei Adsorptionswärmepumpen, welche Zeolithen als Speichermaterial beinhalten. Reversible chemische Verbindungen als Wärmespeicher beruhen auf der molekularen Bindungsenergie.13 Bei Speichern mit chemisch reversiblen Verbindungen werden die Reaktionsprodukte getrennt, so dass diese einzeln gespeichert werden können. Die thermische Energie bei der Entladung des Speichers entsteht durch eine exotherme Reaktion. Grundsätzlich haben die thermochemischen Speicher die höchste Speicherdichte der verschiedenen Wärmespeicher.14 Diese Speicherart verfügt über große Entwicklungspotenziale, eine Marktreife ist derzeit jedoch nicht erreicht.
Auf Grund der vorgestellten Vorteile sollen im Folgenden sensible Wärmespeicher im Rahmen der Untersuchung näher vorgestellt werden.
2.3.2 Systeme zur sensiblen Wärmespeicherung
Sensible Wärmespeichersysteme stehen, wie im vorherigen Abschnitt bereits erläutert, als verschiedene Anlagensysteme zur Verfügung. Einen Überblick zu Behälter-, Erdbecken-, Erdsonden- und Aquiferwärmespeicher gibt Abbildung 2-14. Es zeigen sich unterschiedliche Bau- und Funktionsweisen, die in den folgenden Abschnitten erläutert werden.
Abbildung 2-14:
Übersicht der Speicherarten zur sensiblen Wärmespeicherung1
2.3.2.1 Behälterwärmespeicher
In Behälterwärmespeichern wird Warm- und Heißwasser in Behältern aus Ortbeton oder Betonfertigteilen, Stahl oder Kunststoff gespeichert. In der Entwicklung werden unterschiedliche Baustoffe untersucht, welche einen Verzicht auf Auskleidungen durch Stahl und weitere Abdichtungen ermöglichen. Dabei stehen insbesondere hochfester und ultrahochfester Beton sowie spezielle wasserundurchlässige Stahlbetone im Fokus der Untersuchung. Die Speicher können unterschiedlich gebaut werden. Ein oberirdischer, ein unterirdischer, ein halbversenkter oder freistehender Speicher ist möglich.1 Der Einbau in das Erdreich ist auf Grund der landschaftsarchitektonischen Einbindung zu bevorzugen. Die Wände und die Bodenplatte sollten gedämmt werden, um die Wärmeverluste durch die Außenbauteile gering zu halten. Die Wärmeverluste sind bei der Dimensionierung zu berücksichtigen. So zeigen die aktuellen Erfahrungen, dass das Oberflächen-Volumenverhältnis berücksichtigt werden muss, in dem größere Speichervolumina und eine geeignete Formgebung der Speicher genutzt werden. Bei Behälterwärmespeichern muss auf Grund des Speichermediums Wasser und dessen Temperaturschichtung im Speicher auf die internen Wärmeverluste geachtet werden. Diese sind durch geeignete Be- und Entladevorrichtungen möglichst gering zu halten. Die Baukosten können basierend auf den großen Dimensionen und des Materialeinsatzes erheblich steigen. Gleichzeitig müssen statische Berechnungen durchgeführt werden.2
2.3.2.2 Erdbeckenwärmespeicher
Erdbeckenwärmespeicher werden meist mit einem Kies/Wasser-Gemisch befüllt, können jedoch überdies als reine Wasserspeicher betrieben werden. Der Speicher wird in Form einer Grube mit künstlichem oder natürlichem Böschungswinkel gebaut. Dabei wird die Wasser- und Wasserdampfdichtigkeit durch Kunststoffbahnen sichergestellt. Alle Außenbauteile, das heißt Wände, Boden und Deckel, werden mit Wärmedämmung isoliert, um eine ausreichende Wärmedämmung zu gewährleisten.1 Der Wandaufbau muss dabei die Wasser- und Wasserdampfdichtigkeit, die Wärmespeicherung, das Verhindern von Eindringen von Feuchtigkeit und die Versagenssicherheit garantieren.2
Die Abdeckung kann selbsttragend oder schwimmend erfolgen. Die Bauarten unterscheiden sich in den Baukosten und den zusätzlichen Einbauten. Dadurch können sich Unsicherheiten und vermehrte Wärmebrücken bei den Be- und Entladevorrichtungen ergeben.3
Allgemein weisen Erdbeckenspeicher mittlere Baukosten auf und können erheblich größer gebaut werden als Behälterspeicher. Gleichzeitig lassen sich durch das Speichermedium Kies/Wasser niedrigere Wärmekapazitäten feststellen, so dass im Vergleich zu einem Wasserbehälterspeicher ein größerer Speicher benötigt wird.4 Leckagen können wegen der Bauweise nur unter erheblichen Aufwand behoben werden.5
2.3.2.3 Erdsondenwärmespeicher
Erdsondenwärmespeicher speichern die Wärme im vorhandenen Erdreich. Gut geeignet ist hierfür ein wassergesättigtes Tongestein, da dieses eine hohe Wärmekapazität (3,2 kJ/m³K) und eine geringe Wasserdurchlässigkeit besitzt. Die Einleitung der Wärme in das Erdreich erfolgt über Rohre. Bei der Verwendung von Erdsondenspeichern muss beachtet werden, dass genehmigungsrechtliche Bestimmungen eingehalten werden müssen, so dass diese Speicherform nicht überall anzuwenden ist.1 Um die Wärmeverluste zu minimieren sollten die Speicher, wie in Abbildung 2-14 dargestellt, so angeordnet werden, dass sich der wärmste Bereich im Zentrum des Speichers befindet.2 Der Vorteil des Speichertypes liegt insbesondere in seinen niedrigeren Baukosten und in der Erweiterbarkeit. Somit kann der Speicher bei einer baulichen Erweiterung des Gebäudes vergrößert werden. Im Vergleich zu Behälter- oder Beckenspeichern ist die volumenspezifische Wärmekapazität jedoch geringer.3 Neben Erdsonden können Erdkollektoren4 zum Einsatz kommen. Jedoch liegt bei diesen auf Grund der geringeren Einbautiefe die Effizienz deutlich niedriger. Bei genehmigungsrechtlichen Vorgaben kann dies jedoch eine Alternative sein.
2.3.2.4 Aquiferwärmespeicher
Die vierte Art von sensiblen Wärmespeichern sind Aquiferwärmespeicher. Hierbei wird die Wärme in das vorhandene Grundwasser eingeleitet. Die Aquifer werden von wasserundurchlässigen Aquitarden oder Aquituden begrenzt werden. Es wird unterschieden in:1
Poren-Grundwasserleiter: Sand, Kies
Kluft-Grundwasserleiter: Sand, Kalkstein, Basalt
Karst-Grundwasserleiter: Kalkgestein
Zur Speicherung der über Bohrlöcher eingeführten Wärme werden das Grundwasser und umliegende Gesteinsschichten genutzt.2 Durch einen Wärmetauscher kann die Wärme genutzt werden. Vorteile von Aquiferspeichern liegen in der mehrfachen Nutzung, beispielsweise der Beheizung und Kühlung von Gebäuden, sowie in der hohen Effizienz des Systems. Probleme können durch Verschlammungen und mögliche Eisenablagerungen entstehen.3
Die Baukosten sind geringer als bei den anderen Speicherarten. Diese Speicher können jedoch nur in exponierten Lagen mit speziellen Randbedingungen ausgeführt werden. Die maximalen Beladetemperaturen sind auf Grund des Schutzes des Grundwassers begrenzt, so dass in der Regel eine Wärmepumpe installiert werden muss.4 Dies bedeutet weitere Kosten für das System. Demnach liegen die Wärmekapazitäten nur im mittleren Bereich.
Auf Grund der zahlreichen Vorteile und insbesondere der weitgehenden Unabhängigkeit der lokalen Voraussetzungen wird festgelegt, dass für die weiteren Untersuchungen ein Behälterwärmespeicher gewählt wird.
2.3.3 Anwendungsbeispiele von Behälterwärmespeichern
Im folgenden Abschnitt wird die technische Weiterentwicklung von Behälterwärmespeichern in Deutschland seit den 1990er Jahren aufgezeigt. Die Speicher lassen sich dabei nach Art der Ausführung in drei Generationen unterteilen. Jede Generation soll nachfolgend kurz erläutert und dargestellt werden.1 In den Projekten Friedrichshafen, Hamburg, Hannover und München wurden auftretende Hindernisse überarbeitet, neue Konstruktionen erprobt und neben der Weiterentwicklung des Speichers zusätzlich ein Fokus auf das Gesamtsystem und die jeweilige Einbindung darin gelegt. Eine Übersicht der wichtigsten Kenndaten wird in Tabelle 2-4 gegeben. Die Unterschiede in allen Kenndaten sind dabei groß.
| Kenndaten | Behälterwärmespeicher | |||
| Projekt | Friedrichshafen | Hamburg-Bramfeld | Hannover-Kronsberg | München- Ackermannbogen |
| Jahr der Inbetriebnahme | 1996 | 1996 | 2000 | 2007 |
| Speichermedium | Heißwasser | Heißwasser | Heißwasser | Heißwasser |
| Speichervolumen in m³ | 12.000 | 4.500 | 2.750 | 5.700 |
| Kollektorfläche in m² | 4.051 | 2.920 | 1.473 | 2.761 |
| beheizte Wohnfläche in m² | 35.000 | 14.800 | 2.360 | 30.400 |
| Auswertungszeitraum | Ø aus 1997 – 2007 | Ø aus 2003 – 2008 | Ø aus 2001 – 2009 | Ø aus 2007 – 2009 |
| Belademenge in MWh/a | 659 | 729 | 312 | 908 |
| Entlademenge in MWh/a | 287 | 324 | 186 | 739,5 |
| Speicherwärmeverluste in MWh/a | 371 | 412,5 | 125,66 | 204 |
| Differenz Wärmeinhalt im Speicher in MWh/a | 1,0 | - 7,5 | 0,34 | - 35,5 |
| Speichernutzungsgrad in % | 43,55 | 44,44 | 59,62 | 81,44 |
| Planwert Speichernutzungsgrad in % | k. A. | 89,24 | 80,40 | k. A. |
| Gesamtwärmebedarf in MWh/a | 2.628,70 | 1.843 | 709 | 1.806,50 |
Tabelle 2-4:
Kenndaten Pilotprojekte in Deutschland mit Behälterwärmespeichern2
Probleme der Anlagen resultierten aus zu hohen Netzrücklauftemperaturen, einer Durchfeuchtung beziehungsweise dem Versagen der Dämmung und einer mangelnden Temperaturschichtung im Speicher und somit einer geringen Effizienz.3
Eine grundsätzliche Machbarkeit der saisonalen Wärmespeicherung in Quartieren in Deutschland konnte festgestellt werden. Für einen effizienten Betrieb sollten die folgenden Rahmenbedingungen eingehalten werden:
Mindestgröße der Versorgungseinheit sollte circa 200 Wohneinheiten betragen,4
die Haustechnik muss zwingend mit dem Speicher und der Solarthermieanlage abgestimmt werden,
eine gründliche Vorplanung verhindert Baufehler und somit Kostensteigerungen im Bau und Effizienzsenkungen im Betrieb.
Neben den nationalen Pilotprojekten existieren internationale Forschungen zur Wärmespeicherung, insbesondere in Nordeuropa. Tabelle 2-5 zeigt, dass die Entwicklung von Behälter- und Erdbeckenwärmespeichern seit 1978 erfolgt. Bislang konnte die reibungslose technische Machbarkeit und insbesondere die wirtschaftliche Realisierbarkeit nicht gewährleistet werden. Bei nationalen Pilotprojekten wurden grundsätzlich Forschungs- und Förderungsmittel benötigt. Eine Markteinführung ist unter diesen Umständen nicht möglich. Somit ist es unumgänglich die Investitions- und Betriebskosten weiter zu senken.
| Land | Projekt | Jahr der Erstellung | Art des Wärmespeichers | V in m³ |
| Schweden | Studsvik | 1978 | Behälterwärmespeicher | 800 |
| Schweden | Lambohov | 1980 | Behälterwärmespeicher | 10.000 |
| Dänemark | Lyngby | 1983 | Modularer Aufbau | 540 |
| Schweden | Växjö | 1987 | Erdbeckenwärmespeicher | 1.000 |
| Schweden | Särö | 1989 | Stahlbehälter in Erdbecken | 640 |
| Schweden | Malung | 1989 | Erdbeckenwärmespeicher | 1.000 |
| Dänemark | Herlev | 1991 | Erdbeckenwärmespeicher | 3.000 |
| Deutschland | Rottweil | 1994 | Behälterwärmespeicher | 600 |
| Dänemark | Ottrupgaard | 1995 | Erdbeckenwärmespeicher | 1.500 |
| Deutschland | Friedrichshafen | 1996 | Behälterwärmespeicher | 12.000 |
| Deutschland | Hamburg | 1996 | Behälterwärmespeicher | 4.500 |
| Deutschland | Jülich | 1996 | Erdbeckenwärmespeicher | 2.500 |
| Deutschland | Hannover | 2000 | Behälterwärmespeicher | 2.750 |
| Deutschland | Attenkirchen | 2001 | Behälterwärmespeicher | 500 |
| Dänemark | Lyngby | 2002 | Erdbeckenwärmespeicher | 500 |
| Dänemark | Marstal | 2003 | Erdbeckenwärmespeicher | 10.000 |
| Deutschland | München | 2007 | Behälterwärmespeicher | 5.700 |
Tabelle 2-5:
Historischer Überblick Wärmespeicher in Europa5
2.3.3.1 Erste Generation: Wärmespeicher Friedrichshafen
Der Wärmespeicher in Friedrichshafen-Wiggenhausen wurde im Jahr 1996 errichtet. Als einer der ersten realisierten Wärmespeicher in Deutschland wurde mit ihm die technische Machbarkeit nachgewiesen. Er versorgt ein Wohngebiet mit circa 35.000 m² Wohnfläche und hat ein Volumen von 12.000 m³.1
Die Konstruktion besteht aus einem drucklosen Stahlbetonbehälter in Form eines Zylinders mit aufgesetztem Kegelstumpf mit einer Höhe von 20 m und einem Durchmesser von 33 m. Der schematische Speicherquerschnitt und der Wandaufbau sind in Abbildung 2-15 dargestellt.
Abbildung 2-15:
Speicherquerschnitt und -wandaufbau Wärmespeicher Friedrichshafen2
Die Speicherhülle aus Stahlbeton wurde mit einer inneren Edelstahlabdichtung errichtet. Diese stellt die Wasserdampfdichtigkeit sicher. Der Speicher ist seitlich und am Deckel mit Mineralwolle gedämmt, welche sich im laufenden Betrieb als ungeeignet für den Einsatz bei Wärmespeichern zeigte.
Die Wärmegewinnung erfolgt über Solarkollektoren. Diese wurden auf den Dachflächen der Wohnhäuser aufgeständert und in die Dächer integriert. Bei einer integrierten Bauweise sind die Investitionskosten niedriger, da die „Solar Roofs“ neben der solarthermischen Funktion zusätzlich die Funktion der Dachhaut einnehmen, so dass Synergieeffekte genutzt werden können. Das Wärmenetz besteht aus vier Leitern, welche sich in das Kollektor- und das Wärmeverteilnetz unterteilen. Eine Besonderheit des Nahwärmenetzes in Friedrichshafen mit dem Langzeitwärmespeicher liegt in der Unterteilung der Bauabschnitte. Nur der erste und der zweite Bauabschnitt sind mit Solarkollektoren ausgestattet. Diese wurden zeitversetzt errichtet. Der dritte Bauabschnitt ist nur an das Netz angeschlossen, soll dieses aber nicht mit zusätzlicher Solarthermie versorgen. Dieser Abschnitt sollte im Jahr 2017 fertiggestellt werden.3
Die Investitionskosten für den Wärmespeicher betrugen circa 1,5 Millionen €. Die spezifischen Kosten liegen im Betrachtungsjahr 1996 bei 128,50 €/m³. Die Kosten wurden zu einem erheblichen Teil von staatlicher und privater Förderung getragen.4
Im Betrieb sind große Mängel bei diesem Wärmespeicher deutlich geworden. Diese führten zu Speicherverlusten:
Temperaturabgabe durch fehlende Dämmung am Speicherboden, da sich keine Temperatursättigung im Boden einstellte,
Mineralwolle durchfeuchtete, wodurch die Dämmwirkung sank,
hohe Speicherverluste durch zu hohe Rücklauftemperaturen, so dass das Speichervolumen nicht optimal genutzt werden konnte.
Für eine Ertragsmaximierung muss auf eine optimale Ausrichtung der Solarkollektoren geachtet werden. Die unterschiedlichen Bauabschnitte führten zu verschiedenen Herstellern der Hausübergabestationen. Dies wirkte sich negativ auf die Auslastung des Speichers aus. Abschließend musste festgestellt werden, dass sowohl die Anlagentechnik als auch die Gebäudestandards optimiert werden müssen, um einen effizienten Einsatz des Wärmespeichers zu gewährleisten.5
2.3.3.2 Zweite Generation: Wärmespeicher Hannover
Der Wärmespeicher in Hannover-Kronsberg wurde anlässlich der Weltausstellung Expo im Jahr 2000 errichtet. Sein Volumen beträgt 2.750 m³. Er versorgt eine Wohn- und Nutzfläche von circa 2.360 m².1
Im Gegensatz zu der ersten Speichergeneration besteht seine Hülle nicht aus Stahlbeton mit einer Edelstahlauskleidung, sondern aus Hochleistungsbeton (HLB). Diesem wurde Silicastaub beigemischt, um eine statische und dichtende Wirkung zu erreichen. Dadurch sollten die Investitionskosten gesenkt werden. Auf Grund des Zeitdrucks bei der Planung und des Baus und den schwierigen Baugrundverhältnissen konnte dies in Hannover jedoch nicht erreicht werden. Der Durchmesser des Speichers in Form eines Zylinders mit aufgesetztem Kegelstumpf beträgt 19 m, die Höhe 11 m.2
Abbildung 2-16:
Speicherquerschnitt und -wandaufbau Wärmespeicher Hannover3
Die Wärmedämmung musste wasserbeständig sein, da durch den Hochleistungsbeton jährlich circa 4 l/m³ Wasserverlust entsteht. Erstmals wurde hierbei Blähglasgranulat für die Dämmung der Decke und der Wände eingesetzt. Zusätzlich wurde eine Dampfsperre zwischen der Betonwand und der Dämmung verbaut. Die Schichtdicke der Dämmung nimmt mit der Höhe des Speichers zu.4
Für eine effizientere Be- und Entladung des Speichers wurden drei Ladeebenen installiert, so dass die Wasserentnahme und -befüllung temperaturabhängig durchgeführt werden kann.
Das Wärmenetz besteht wie in Friedrichshafen aus zwei Leitungskreisen. Das Kollektorsammelnetz bringt die Wärme von den Kollektoren zur Heizzentrale. Dort kann sie entweder in den Speicher geleitet werden oder zur direkten Nutzung bereitgestellt werden. Die Nachheizung des Quartiers erfolgt mittels Fernwärme.
Durch verspätete Planungsentscheidungen mussten die „Solar Roofs“ in Hannover auf Notdächer aufgebracht werden. Dies führte zu einer schlechten Ausnutzung der solarthermischen Potenziale.
Die Investitionskosten des Wärmespeichers betrugen circa 770.000 €.5 Somit liegen die spezifischen Kosten im Betrachtungsjahr 2000 bei 279 €/m³ und damit höher als in Friedrichshafen.
Die verwendeten Materialien und Techniken konnten beim Wärmespeicher in Hannover weiterentwickelt werden. Jedoch führten mangelhafte Planungsleistungen und eine zu kurze Planungszeit zu erheblichen Mängeln:
Baukosten konnten auf Grund der kurzen Planungszeit und fehlender Optimierungsplanung nicht essentiell gesenkt werden,
mangelnde Bauvorbereitung, insbesondere in Bezug auf den Untergrund, führte zu einer weiteren Erhöhung der Baukosten,
die Bauzeit im Winter führte zu gesteigerten Kosten,
durch große Unsicherheiten im Vorfeld konnte der Speicher nicht optimal geplant werden (beispielsweise durch die Verkleinerung des Baufeldes),
erhebliche Ertragsausfälle durch Undichtigkeiten im Kollektorkreis.
2.3.3.3 Dritte Generation: Wärmespeicher München
Das Pilotprojekt „Solare Nahwärme Ackermannbogen“ in München ist im Jahr 2007 in Betrieb gegangen und zählt zu der dritten Generation von Wärmespeichern. Der Speicher besitzt ein Volumen von 5.700 m³ und versorgt ein Gebiet mit 30.400 m² Geschossfläche, aufgeteilt auf 300 Wohnungen.1 Im Gegensatz zu den Pilotprojekten in Friedrichshafen und Hannover wurden für den Bau Betonfertigteile eingesetzt, die die Projektkosten senken sollten.
Die Fertigteile besitzen eine innere Edelstahlauskleidung, welche nach dem Einbau überlappend verschweißt wurde. Diese gewährleistet die Wasserdampfdichtigkeit. Die Fertigteile werden nach ihrem Einbau vorgespannt. Erstmals wurde der Speicherboden gedämmt, um die Wärmeverluste zu minimieren. Zum Einsatz kam hierbei Schaumglasschotter. Wände und Decke des Speichers sind wie in Hannover mit Blähglasgranulat gedämmt. Die Höhe des Speichers in Form eines Zylinders mit zwei aufgesetzten Kegelstümpfen beträgt 16 m, der Durchmesser 26 m. Damit wurde ein in Bezug auf die Speichergeometrie optimales Oberflächen-Volumen-Verhältnis von 0,29 m²/m³ erreicht.2
Abbildung 2-17:
Speicherquerschnitt und -wandaufbau Wärmespeicher München3
Um das Temperaturniveau im Wärmespeicher sicherzustellen, wurde ein Schichtlader im Speicher installiert. Gleichzeitig sorgt eine Absorptionswärmepumpe für eine effiziente Nutzung des Wärmespeichers. Das Quartier ist für die Spitzenlastversorgung an das Fernwärmenetz angeschlossen. Die Gebäude wurden für eine Optimierung der Netzrücklauftemperaturen energetisch angepasst. Dafür wurde ein verbesserter Wärmeschutz im Vergleich zum damaligen EnEV-Standard geplant und die Heizungen und Übergabestationen optimiert.4
Die Kosten des Speichers konnten durch den Einsatz der Fertigteile im Vergleich zu vorherigen Speichern in Ortbetonbauweise gesenkt werden. So betragen die gesamten Investitionskosten des Wärmespeichers 857.000 €.5 Die spezifischen Kosten konnten im Betrachtungsjahr 2007 auf 150 €/m³ gesenkt werden.
Der Speicher weist eine sehr gute Schichtung auf, so dass der Aufbau positiv gewertet werden kann. Dennoch traten im Pilotprojekt München ebenfalls Probleme auf:
der solare Deckungsanteil konnte nicht erreicht werden, da die Kollektorkenndaten nicht mit den tatsächlichen erzielbaren Werten übereinstimmen,
Undichtigkeiten der Kollektoren führen zu Ertragsminderungen,
Probleme des Schichtladers und somit der optimalen Verteilung des Wassers,
Ausfall der Temperatursensoren,
Fehlerhafte Funktion der Absorptionswärmepumpe, insbesondere durch falsche Auslegung und Programmierung.
Die Probleme der zu hohen Netzrücklauftemperaturen, welche die Wärmebilanz verringern, konnten in München durch die fachgerechte Planung der Gebäude verhindert werden.6
2.3.4 Zusammenfassung der Grundlagen der Wärmespeicher
Aus den Ausführungen in diesem Abschnitt zeigt sich eine deutliche Entwicklung der Geometrie und der baukonstruktiven Ausführung von saisonalen Behälterwärmespeichern. Die Ziele liegen dabei auf der Reduktion der Wärmeverluste durch geeignete baukonstruktive und technische Maßnahmen, die Anpassung an unterschiedliche Randbedingungen sowie in der Reduktion der Speicherinvestitionskosten.
Dabei können die Entwicklungen zusammengefasst der Tabelle 2-6 entnommen werden.
| Erste Generation | Zweite Generation | Dritte Generation | |
| Pilotprojekt (Inbetriebnahme) | Friedrichshafen (1996), Hamburg (1996) | Hannover (2000) | München (2007) |
| Speicherkonstruktion | Stahlbetonbehälter (Ortbeton) | Stahlbetonbehälter (WU-Beton) | Stahlbetonbehälter (vorgespannte Fertigteilkonstruktion) |
| Abdichtung | Edelstahlbleche, verschweißt | Ultrahochfester Faserfeinbeton | Edelstahlbleche, verschweißt |
| Wärmedämmung | Wand und Deckel, Steinwolle | Wand und Deckel, Blähglasgranulat in Gewebesäcken | Boden: Schaumglasschotter; Wand und Deckel: Blähglasgranulat in Membranschalung |
| Be- und Entladesystem | Obere und untere Tasse1 | Obere, mittlere und untere Tasse | Schichtbeladesystem über Tassen mit automatischer Höhenregulierung |
Tabelle 2-6:
Technologieentwicklung Behälterwärmespeicher in Deutschland2
Für die weiteren Untersuchungen soll auf Grund der Vorteile im Vergleich zu vorherigen Speicherbauten und der technischen Entwicklung ein Behälterwärmespeicher mit einem baukonstruktiven Aufbau in Anlehnung an den Wärmespeicher in München angenommen werden.
2.4 Lebenszyklusphasen von Bauprojekten
Im Bausektor ist die Betrachtung des Lebenszyklus von Gebäuden und Bauwerken ein fester Bestandteil der Planung und wird in der Immobilien- und Projektentwicklung angewendet. Dabei wird gemäß Abbildung 2-18 in unterschiedliche Lebenszyklusphasen von Bauprojekten und Immobilien unterschieden.
Da innerhalb dieser Arbeit ein Lebenszyklusansatz für die Bewertung des Konzeptes gewählt wird, muss der Rahmen hierfür bestimmt werden. Im Sinne einer Lebenszyklusbewertung werden die einzelnen Untersuchungsschritte aufeinander aufbauen. In den einzelnen Abschnitten im Rahmen der Methodenbeschreibung wird erneut darauf eingegangen. In der weiteren Bearbeitung soll eine Lebenszyklusbetrachtung des Nahwärmeversorgungskonzeptes mit Wohngebäuden, Solarthermie und saisonalem Wärmespeicher erfolgen.
Abbildung 2-18:
Lebenszyklus einer baulichen Anlage1
Die Realisierungsphase beinhaltet die Konzeption des Projektes sowie den Bau und die Inbetriebnahme. Bereits bei der Konzeption der Immobilie sollten die Aspekte der Nachhaltigkeit, das heißt Ökonomie, Ökologie und soziale Aspekte, beachtet werden.2 Bei der Konzeption des Projektes, der Projektentwicklung, werden verschiedene Verfahren zur Beurteilung der Vorteilhaftigkeit angewendet, wie zum Beispiel Markt- und Standortanalysen, Investitions-, Risiko- und Sensitivitätsanalysen.3 Nach der Entscheidung für ein Projekt beginnt die Planung und Realisierung. Die Realisierungsphase wird nach der HOAI in neun Leistungsphasen gegliedert.4 Dieser Lebenszyklusabschnitt endet mit der Inbetriebnahme des Gebäudes.
Die Nutzungsphase ist die finanziell und zeitlich umfangreichste Phase des Lebenszyklus eines Gebäudes.5 Der Betrieb definiert sich als Nutzen, Bedienen, Überwachen und Instandsetzen. Ein wichtiger Faktor in der Nutzungsphase sind die Leistungen für Umbau, Modernisierung, Sanierung oder Instandsetzung. Die Modernisierung ist die Verbesserung des IST-Zustand. Im Gegensatz dazu ist die Sanierung die Wiederherstellung des Soll-Zustands und der Umbau die Funktions- und Nutzungsänderungen des Objektes.6 Die Nutzungsdauer unterteilt sich in die technische und die wirtschaftliche Nutzungsdauer, welche voneinander abweichen können.7
Die Verwertungsphase beinhaltet den Rückbau des Gebäudes mit dem Abbruch des Baumaterials, sowie dessen Recycling und Wiederverwertung.8 Über den Lebenszyklus eines Objektes fallen beeinflussbare Kosten an. Abbildung 2-19 zeigt schematisch den starken Einfluss der Nutzungsphase auf die Lebenszykluskosten, da diese während dieser Zeit ansteigen. Diese Kosten lassen sich im zeitlichen Verlauf geringer beeinflussen.
Abbildung 2-19:
Schematische Darstellung der Kosten im Gebäudelebenszyklus9
Bei Gebäuden lässt sich eine sehr lange Nutzungsdauer feststellen. So können in Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen von Immobilien Werte von bis zu 80 Jahren angenommen werden.10 Die Nutzungsdauer von saisonalen Wärmespeichern wird in der Literatur mit bis zu 50 Jahren beschrieben.11
3 Untersuchungsmodell zum saisonalen Wärmespeicher
3.1 Grundlagen von Entscheidungsmodellen und Zielstellungen
Ein Modell ist eine „abstrahierte Abbildung der Realität“, welches es auf vereinfachende Weise ermöglicht diese darzustellen und die Zusammenhänge zu bewerten.1 Ausgehend davon wurde für das Untersuchungsziel dieser Arbeit ein Modell entwickelt, so dass Handlungsempfehlungen erstellt werden können.
In den nachfolgenden Untersuchungen handelt es sich um ein Entscheidungsproblem. Entscheidungsmodelle charakterisieren sich durch folgende Merkmale:2
Alternativen,
Umweltzustände,
Ergebnisfunktionen und
Ziele.
Alternativen werden in zwei Arten unterschieden. Es gibt Einzel- und Programmentscheidungen.3 Zu hinterfragen ist, ob Investitionen echte Alternativen darstellen. Bei einer echten Alternative handelt es sich um eine Wahlentscheidung, da die Verwendungsdauer der Investitionsobjekte feststeht.4 Das Merkmal der Umweltzustände beschreibt bei GÖTZE die Situation der Unsicherheit oder des Risikos der Entscheidung und muss zwingend in die Investitionsentscheidung einbezogen werden.5 Die Auswirkungen der Entscheidung werden durch die Ergebnisfunktion untersucht. Dabei können monetäre und nichtmonetäre Ziele beurteilt werden. Insbesondere bei der Investitionsrechnung ist auf die Quantifizierbarkeit der Konsequenzen und der daraus folgenden Bewertung zu achten.6 Tabelle 3-1 verdeutlicht übersichtlich die vorgestellten Klassifikationen. Das Kriterium Zeit unterscheidet sich in statisch und dynamisch. Statische Modelle untersuchen nur einen Zeitabschnitt. Bei der Analyse mehrerer Zeitabschnitte handelt es sich um dynamische Modelle.7
| Kriterium | Ausprägung | ||||||
| (Un)Sicherheit | Sicherheit | Unsicherheit | |||||
| Ungewissheit | Risiko | Unschärfe | |||||
| Alternativen | Einzelentscheidung | Programmentscheidung | |||||
| absolute Vorteilhaftigkeit | relative Vorteilhaftigkeit | Nutzungsdauer | Investitionszeitpunkt | ||||
| Ziele | ein Ziel | mehrere Ziele | |||||
| Zeit | statisch | dynamisch | |||||
| einstufig | mehrstufig | ||||||
| starr | flexibel | ||||||
Tabelle 3-1:
Merkmale von Entscheidungsmodellen8
Diese theoretischen Grundlagen wurden in der Modellaufstellung für die Untersuchung der Bewertung eines nachhaltigen Wärmeversorgungssystems mit saisonalem Wärmespeicher einbezogen und in der Bearbeitung berücksichtigt.
Die einzelnen Parameter des Untersuchungsmodells werden in diesem Kapitel beschrieben und erläutert. Dabei sollen die folgenden Arbeitsschritte verfolgt werden:
1 Darstellung des Systemaufbaus und Entwicklung des Modells eines Versorgungsquartieres,9
2 Energetische Bemessung und Modellierung der Gebäude,10
3 Aufstellen der Randbedingungen für die Dimensionierung der Solarthermieanlage und des saisonalen Wärmespeichers,11
4 Modellierung der Solarthermieanlage und des saisonalen Wärmespeichers,12
5 Bemessung der geometrischen Daten des Wärmespeichers auf Basis der Modellierung,13
6 Beschreiben des Betreibermodells und der Stakeholder.14
Das aufgestellte Modell bildet die Grundlage für die weiterführenden Untersuchungen von saisonalen Wärmespeichern hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit in Kapitel 4, der sozialen Akzeptanz in Kapitel 5 und der Ökobilanz in Kapitel 6.
3.2 Systemaufbau
Für die Wahl des Versorgungsquartieres stehen verschiedene Varianten zur Verfügung, wie beispielsweise Einfamilienhäuser, Mehrfamilienhäuser, Bürogebäude, ländliche oder großstädtische Regionen. Darüber hinaus können Altbauten oder Neubauten betrachtet werden. Es wurde eine bestehende Bebauung gewählt, da die Ergebnisse auf einen Neubau übertragen werden können. Die Untersuchung soll an einem speziellen Bebauungsmodell durchgeführt werden. Die Randbedingungen müssen für die transparenten und strukturierten Darstellungen eingegrenzt werden.
In der Untersuchung soll eine typische innerstädtische Situation in einem Wohnquartier Deutschlands dar. Es werden drei vierstöckige Mehrfamilienhäuser analysiert. Die Gebäude des Simulationsmodells bestehen aus drei Wohngebäudeblöcken, welche sich in sechs Gebäudeabschnitte aufteilen. Insgesamt befinden sich 216 Wohneinheiten in diesen, welche in Vier-, Drei- und Zweiraumwohnungen verteilt sind. Ein Gebäudeblock hat eine Länge von 136 m und eine Breite von 12 m. Die Gebäude besitzen vier Etagen, kein Kellergeschoss und wurden in den 1960er Jahren erbaut. Zwischen den Häusern, welche U-förmig angeordnet sind, ist ausreichend Fläche in Form eines Innenhofes verfügbar, um dort einen saisonalen Wärmespeicher errichten zu können. Die Solarthermiekollek-toren sollen auf den Dachflächen der Gebäude installiert werden.
Die dezentrale Versorgung von Wohneinheiten im innerstädtischen Bereich wird mit diesem Vorgehen ermöglicht. Gleichzeitig gestattet die Nähe zwischen Wärmespeicher und zu versorgenden Gebäuden kurze Leitungswege. Diese verringern die Wärmeverluste in den Leitungen, so dass eine höhere Effizienz erreicht werden kann. Das Vorgehen bietet zusammenfassend mehrere Vorteile:
Möglichkeit der Versorgung innerstädtischer Gebiete mit erneuerbaren Energien wird aufgezeigt,
eine dezentrale Versorgungsmöglichkeit mit erneuerbaren Energien wird gefunden,
durch die zentrale Platzierung des Wärmespeichers innerhalb des durch die Gebäude begrenzten Hofes können Leitungs- und Versorgungswege kurz gehalten werden.
Der Aufbau der Wärmeversorgung ist in Abbildung 3-1 dargestellt. Die solare Wärme wird über die Kollektoren aufgenommen. Diese Wärme wird in den Wärmespeicher geführt, welcher die Wärme speichert. Bei Bedarf wird die Wärme aus dem Speicher entladen und fließt in das Wärmenetz zum Endverbraucher. Dort wird die Wärme über die Heizungsanlage abgegeben. Der benötigte Wärmebedarf kann über den Heizwärmebedarf der Gebäude ermittelt werden.1 Zugeschaltet ist ein Gasbrennwertkessel, der den zusätzlich benötigten Wärmebedarf abdeckt. Eine vollständige Versorgung über den Wärmespeicher ist wirtschaftlich und technisch nicht effektiv, da ein erheblicher Mehraufwand notwendig wird.2 Die Höhe der einzelnen Wärmemengen ist von der Auslegung der Anlage abhängig. Für eine Umsetzung des Systems ist es notwendig und unerlässlich die Wärmeverluste im Energiefluss zu beachten und bei der Planung einzubeziehen. Im Rahmen des Umfangs und der Fokussierung dieser Arbeit wurde dies bei den weiteren Untersuchungsschritten über die Berechnung der Transmissions- und Lüftungswärmeverluste der Gebäude und über pauschale Ansätze für den Wärmespeicher und das Wärmenetz berücksichtigt.3
Abbildung 3-1:
Schematische Darstellung der Wärmeversorgung
Zur Eingrenzung der Komplexität des Systems wird der Untersuchungsrahmen auf folgende vier Komponenten begrenzt:
Wärmeerzeuger: Solarthermie, ausgeschlossen werden Photovoltaik und Block-heizkraftwerke, sowie Kombinationen aus beiden.
Saisonaler Wärmespeicher: sensibler Wärmespeicher auf Wasserbasis, ausgeschlossen werden latente oder thermochemische Speicher.4
Wärmeverteilung: Nahwärmenetz, auf Grund der Nähe zwischen Gebäuden und Wärmespeicher kann ein Fernwärmenetz ausgeschlossen werden.
Gebäude: sanierte Mehrfamilienhäuser in einem bestehenden Stadtquartier, ausgeschlossen werden Einfamilienhäuser, Bürogebäude und Neubau.
Die Berechnung der in Abbildung 3-1 dargestellten benötigten jährlichen Gasmenge QE,h für die Wärmeversorgung der Gebäude erfolgt über den Jahresnutzungsgrad des Wärmeerzeugers und den notwendigen Heizwärmebedarf des Gebäudes. Im folgenden Berechnungsmodell wurde darauf auf Grund des hohen Jahresnutzungsgrades von Gasbrennwertkesseln5 und dem Fokus auf der Bewertung der Wirtschaftlichkeit des saisonalen Wärmespeichers und der Stakeholder verzichtet. Für die zusätzliche Wärmeversorgung mit dem Gaskessel stehen die bivalent-parallele und die bivalent-alternative Betriebsweise zur Auswahl. Die Auswahl wirkt sich direkt auf die Auslegung der zusätzlichen Heizungsanlage aus und beeinflusst die Kosten.
Variante 1: bivalent-paralleler Betrieb
Die erste Variante stellt einen parallelen Betrieb von Wärmespeicher und Gaskessel dar. Dabei würde sich die zweite Heizung ab einer bestimmten Außentemperatur zuschalten, beziehungsweise der Bedarf würde bis zu dem jeweiligen Deckungsgrad vom Wärmespeicher übernommen. Anschließend erfolgt die Wärmeversorgung mit dem zweiten Wärmeerzeuger. Durch diese Schaltung würde ein möglichst langer Betrieb des Wärmespeichers erzielt werden. Der zweite Wärmeerzeuger muss nur auf die Heizlast der Differenz vom Wärmespeicher ausgelegt werden.6 Jedoch sind bei der Anlagenplanung detaillierte Informationen über die zeitlichen Wärmeverbräuche und die Verluste notwendig. Deswegen wird diese Variante für die Projektbearbeitung nicht in Betracht gezogen.
Variante 2: bivalent-alternativer Betrieb
Die zweite Möglichkeit des Speicherbetriebs sieht vor, dass zunächst der Speicher vollständig entladen wird. Wenn keine Wärme im Speicher mehr für die Versorgung bereitsteht, wird die Zusatzheizung angeschaltet und diese übernimmt die Wärmeversorgung vollständig. Die zweite Heizungsanlage muss auf die komplette Heizlast des Gebäudes ausgelegt werden. Jede Heizung wird in diesem Betrieb einzeln gefahren, so dass beide jeweils 100 % leisten müssen.7 Auf Grund der erforderlichen Versorgungssicherheit und der zum Teil höheren Vorlauftemperaturen wird die Variante 2 in der folgenden Untersuchung gewählt.
Für das Gesamtsystem müssen für die weiteren Untersuchungen die Leitungslängen bestimmt werden. Dabei wird unterschieden in das solare Wärmenetz, welches die solarthermischen Anlagen mit dem Wärmespeicher verbindet, und in das Wärmeversorgungsnetz, welches die Heizzentrale mit den Gebäuden verbindet und dort die Wärme bis zur Wärmeübergabestation im Gebäude leitet. Das solare Wärmenetz ist länger als das Wärmeversorgungsnetz, denn hierbei sind die Wege zu den Kollektoren einzuberechnen.
Für die Aufstellung des zweiten Wärmerzeugers muss beachtet werden, dass der Gaskessel untergebracht werden muss. Die Auslegung und die Unterbringung des Heizkessels können in verschiedene Varianten erfolgen. Es wäre beispielsweise denkbar, dass in jedem Gebäude ein Kessel für die Versorgung bereitgestellt wird. Dies würde eine geringere Heizlast für die einzelnen Kessel bedeuten, jedoch erhebliche Mehrmengen bei der Anlagentechnik sowie einen baulichen Mehraufwand für die Flächennutzung. Da der Platz innerhalb der Gebäude begrenzt ist und auf Grund der vorgegebenen baulichen Gegebenheiten wird vorgesehen, eine Heizzentrale neben dem Wärmespeicher zu errichten. Der Gasbrennwertkessel wird in dieser Heizzentrale zentral in dem Innenhof untergebracht. In dieser erfolgen gleichzeitig die Steuerung des Wärmespeichers und die allgemeine Steuerung der Heizungsanlage.
3.3 Berechnung und Dimensionierung der Gebäude
Für die Gebäude werden Szenarienanalysen durchgeführt. Diese ergeben sich für das gewählte Quartiersbebauungsmodell aus verschiedenen energetischen Gebäudezuständen:
Szenario 0:ursprünglicher Gebäudezustand (IST-Zustand),
Szenario 1:Vollsanierung nach gesetzlichen Mindestanforderungen der EnEV 2016,
Szenario 2:Vollsanierung mit zusätzlichen konstruktiven und anlagetechnischen Maßnahmen über EnEV 2016 Standard.
Für die Szenarien wurden unterschiedliche energetische und bauliche Maßnahmen angesetzt. Diese beinhalten zum Beispiel die Wärmedämmung der Gebäudehülle, den Austausch von Fenstern und Türen sowie die Modernisierung und den Ersatz der Heizungsanlage. Dabei wird die neue Wärmeversorgung vorrangig über den saisonalen Wärmespeicher ermöglicht. Bei der Auslegung des zweiten Szenarios ist eine Fußbodenheizung geplant. Diese bietet bei geringem Platzbedarf den Vorteil niedriger Vorlauftemperaturen von 35 °C. Die gleiche Vorlauftemperatur kann bei einem Gebäude nach Mindestanforderung der EnEV 2016 nur durch eine erhebliche Steigerung der Anzahl von Heizflächen ermöglicht werden. Der Einbau einer Fußbodenheizung ist im Altbau möglich. Moderne Fußbodenheizungen sind speziell für Altbausanierungen konzipiert. Diese haben einen geringen Höhenaufbau und ein geringes Flächengewicht.1 Der vorhandene Estrich und der Bodenbelag müssen entfernt werden. Dadurch ist es möglich, die Schallschutzanforderungen zu verbessern, da der bisherige Estrich die aktuell geltenden Schallschutzanforderungen nicht erfüllt.
Die Wärmedämmung der Gebäudehülle erfolgt über eine Außendämmung. Eine Innendämmung, welche häufig zu Feuchteproblemen führt, ist in diesem Fall nicht erforderlich, da das Gebäude keinen denkmalschutzrechtlichen Bestimmungen unterliegt. Bei der energetischen Berechnung werden mögliche Wärmebrücken durch die Wärmedämmung der Gebäudehülle beachtet.
Bei dem höheren energetischen Standard im Szenario 2 muss für die Sanierungsmaßnahme eine Lüftungsanlage einbezogen werden. Diese erfolgt dezentral, das heißt raumweise, mit Wärmerückgewinnung. Dadurch ergeben sich keine Hindernisse auf Grund der baulichen Substanz, da keine platzintensiven Lüftungskanäle notwendig sind. Gleichzeitig werden die Anforderungen, insbesondere hinsichtlich der Luftqualität und der -hygiene, eingehalten.
Tabelle 3-2 zeigt eine Übersicht der Baukonstruktionen und der errechneten energetischen Kennzahlen für die Gebäude und die Varianten.2
Für die Gebäude wurden verschiedene Kenndaten, wie in Tabelle 3-2 aufgeführt, ermittelt.3
Der Primärenergiebedarf QP (siehe Formel 1) beschreibt jene Energiemenge, welche benötigt wird, um den Endenergieverbauch und die notwendige Prozessenergie zu decken.4
| QP=(Qh+Qtw)•eP | |
| Legende: | |
| Q P | Primärenergiebedarf [kWh] |
| Q h | Heizwärmebedarf [kWh] |
| Q tw | Trinkwasserwärmebedarf [kWh] |
| e P | Anlagenkennzahl [-] |
Formel 1: Primärenergiebedarfsberechnung
Der Energiebedarf ist die Menge an Energie, welche zur Deckung des Energiebedarfs notwendig ist.5
Der Heizwärmebedarf Qh ist „die rechnerisch ermittelte Nutzenergiemenge, die vom Wärmeüberträger (Heizkörper, Fußbodenheizung) an den Raum abgegeben wird. Er errechnet sich durch Addition des Transmissionswärmeverlustes und Lüftungswärmeverlust unter Abzug der nutzbaren internen Wärmegewinne und der solaren Wärmegewinne.“6 Der Heizwärmebedarf Qh wird nach DIN V 18599, wie in Formel 2 dargestellt, ermittelt.7
| Qh=QI,HP-ηHP•(Qs,HP+Qi,HP) | |
| Legende: | |
| Q h | Heizwärmebedarf [kWh] |
| Q I,HP | Wärmeverluste aus Transmissions- und Lüftungsverlust [kWh/HP] |
| Q s,HP | Wärmegewinne aus solaren Wärmegewinnen [kWh/HP] |
| Q i, HP | Wärmegewinne aus internen Wärmegewinnen [kWh/HP] |
| η HP | Nutzungsgrad der Wärmegewinne [-] |
| HP | Heizperiode |
Formel 2:
Heizwärmebedarfsberechnung
Die Transmissionswärmeverluste ФT, e,i bezeichnen die Wärmeverluste über die Gebäudehülle.8 Auf Grund des Zustandes und der Dichtigkeit werden der Wärmebrückenzuschlag und die Luftdichtigkeit für das Gebäude für die Berechnung angenommen. Wärmebrücken transportieren Wärme an die Umgebung.9
Die Heizlast (Normheizlast) ФHL wird über die DIN EN 12831 ermittelt.10 Die Heizlast ist die Leistung, die aufgebracht werden muss, um die Raumtemperatur im Gebäude auf einem gewünschten Niveau zu erhalten. In die Berechnungen der Heizlast werden Transmissionswärmeverluste durch die Bauteile und Lüftungswärmeverluste einbezogen. Die Lüftungswärmeverluste berechnen sich aus der Norm-Innen- und -außentemperatur sowie dem Norm-Lüftungswärmeverlust-Koeffizienten.11 Auf Grundlage der Heizlast des Gebäudes wird die Heizungsanlage dimensioniert. Das Ergebnis der Heizlastberechnung ist in Tabelle 3-2 aufgeführt.
Tabelle 3-2:
Übersicht der Baukonstruktion und energetischen Kenndaten der Gebäude
| ΦHL,Geb=∑iΦT,e,i+∑iΦV,i | |
| Legende: | |
| Ф HL,Geb | Heizlast des Gebäudes [W] |
| Ф T, e,i | Transmissionswärmeverluste [W] |
| Ф V,i | Lüftungswärmeverluste [W] |
Formel 3:
Heizlastberechnung
Die Mengenberechnung der Gebäude erfolgte nach den Vorgaben der DIN 277. Danach konnten die Grundflächen, Rauminhalte und weitere Flächen der Baukonstruktion bestimmt werden. Eine Auflistung der Flächen findet sich in Tabelle 3-3. Die Netto-Raumfläche berechnet sich aus der Summe der Nutzungsfläche, der Technikfläche und der Verkehrsfläche. Die Brutto-Grundfläche ergibt sich aus der Addition der Netto-Raumfläche und der Konstruktions-Grundfläche.
| Flächen des Grundstücks | Menge/Einheit |
| GF Grundstücksfläche | 20.400 m² |
| Grundflächen des Bauwerks | Menge/Einheit |
| NUF Nutzungsfläche | 15.550 m² |
| TF Technikfläche | 0 m² |
| VF Verkehrsfläche | 5.692 m² |
| NRF Netto-Raumfläche | 21.242 m² |
| KGF Konstruktions-Grundfläche | 3.238 m² |
| BGF Brutto-Grundfläche | 24.480 m² |
| Brutto-Rauminhalt des Bauwerks | Menge/Einheit |
| BRI Brutto-Rauminhalt | 105.142 m³ |
| KG Kostengruppe (2. Ebene) | Menge/Einheit |
| 330 Außenwände | 10.817 m² AWF |
| 340 Innenwände | 25.083 m² IWF |
| 350 Decken | 21.297 m² DEF |
| 360 Dächer | 5.671 m² DAF |
Tabelle 3-3:
Berechnung der Flächen und Rauminhalte nach DIN 277
Diese Flächen sind für die Berechnung der Investitionskosten der Gebäude relevant. Auf Basis der festgelegten Schichtdicken der einzelnen konstruktiven Bauteile konnte innerhalb der Kostenberechnung die Mengenermittlung für die Bauteile durchgeführt werden.12
Бесплатный фрагмент закончился.
