Nahwärmenetze und Heizwerke - Erfolgsfaktoren und Erfahrungen Fachtagung: Wärme aus Biomasse Stand der Technik und Perspektiven

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1 Nahwärmenetze und Heizwerke - Erfolgsfaktoren und Erfahrungen Fachtagung: Wärme aus Biomasse Stand der Technik und Perspektiven Dipl. Ing. Bernhard Pex (FH)

2 KONARO Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe Forschung und Lehre in den Bereichen Technologie Biogener Rohstoffe Chemie & Molekularbiologie Nachwachsender Rohstoffe Pflanzenphysiologie Biogene Werkstoffe Energietechnik & Maschinenbau Biogastechnologie Geothermie Marketing & Management Nachwachsender Rohstoffe Betriebswirtschaftslehre Nachwachsender Rohstoffe Träger: Bayer. Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Technologie- und Förderzentrum Angewandte Forschung bei Energie- und Rohstoffpflanzen Biogenen Festbrennstoffen Biogenen Kraft-, Schmier- und Verfahrensstoffen Förderung von Projekten Energie aus Biomasse: Biomasseheizwerke Forschung, Entwicklung und Demonstration Wissenstransfer Seminare, Beratung, Internet Träger: Bayer. Staatsministerium für Landwirtschaft und Forsten C.A.R.M.E.N. Koordinationseinrichtung für Nachwachsende Rohstoffe Beratung und Koordinierung im Bereich Nachwachsende Rohstoffe Begutachtung, Betreuung und Evaluierung einschlägiger Projekte Öffentlichkeitsarbeit Technologie- und Informationstransfer Qualitätsmanagement Holzheizwerke (QM) Schulungs- und Ausstellungszentrum für Nachwachsende Rohstoffe

3 C.A.R.M.E.N. e.v. Projekte Über 450 Biomasse-Heizwerke 200 kw bis 10 MW, Futtertrocknungen bis 15 MW 9 Biomasse-Heizkraftwerke 40 kw el bis 13 MW el 7 Pflanzenöl-BHKWs 16 kw el bis 190 kw el 5 Biogasanlagen 15 kw el bis 225 kw el 2994 Kleinfeuerungen

4 Aktivitäten von C.A.R.M.E.N. Beratung Projektinitiierung Projektbegutachtung Projektmanagement Evaluierung Technologietransfer Fachvorträge Fachgespräche Fachpublikationen Marktstudien Autotürinnenverkleidung aus Flachs Entwicklung von Förderprogrammen

5 Energetische Verwertung Biogene Kraftstoffe Bio-Ethanol Biodiesel Biomass to Liquid (BtL) Pflanzenöl-BHKW s Umesterungsanlagen

6 Energetische Verwertung Biogas Stellungnahmen Gutachten Beratungen Betreiberstammtisch

7 Gliederung Datengrundlage Wärmebedarfsermittlung bedarfsgebundene verbrauchsgebunde Ermittlung Jahresdauerlinie Lageplan/Wärmenetz WDesign Wirtschaftlichkeitsbetrachtung als Entscheidungshilfe

8 Datengrundlage / Wie viel Wärme für was?

9 Wärmebedarfsermittlung Bedarfsgebundene Ermittlung DIN Über die Hüllflächen des Gebäudes und den Luftaustausch wird ermittelt, wie hoch die Heizlast bei -16 C Außentemperatur ist. Verbrauchsgebundene Ermittlung Über den durchschnittlichen Brennstoffbezug, Leistung und Alter der bestehenden Heizungsanlage wird der Wärmebedarf ermittelt. (Nutzungsgrad und Wirkungsgrad nächste Folie) genaue Daten erleichtern die Weiterarbeit Art der Gebäude vorhandene Kessel Temperaturen

10 Wirkungsgrad und Jahresnutzungsgrad 90% Kesselwirkungsgrad Jahresnutzungsgrad 85% 80% 75% 70% 65% 0,78 0,74 Planungswert: Jahresnutzungsgrad (~80%) 60% Inbetriebnahmejahr 2002 Inbetriebnahmejahr < 2002

11 Nahwärmenetze und Heizwerke Effizienz der Wärmebereitstellung Jahres-Nutzungsgrad des Holzheizkessels [%] bei Biomasseheizwerken in Bayern 90% 85% Jahresnutzungsgrad [%] 80% 75% 70% 65% 60%

12 Datengrundlagen Wärmebedarf 80 kw 88 MWh/a 20 kw 32 MWh/a 25 kw 40 MWh/a 15 kw 24 MWh/a 30 kw 36 MWh/a 150 kw 195 MWh/a 250 kw 500 MWh/a 90 kw 100 MWh/a

14 Erfolgsfaktoren Nahwärmenetz Wärmebelegungsdichte 80 kw 88 MWh/a 20 kw 32 MWh/a 25 kw 40 MWh/a 15 kw 24 MWh/a 30 kw 36 MWh/a 150 kw 195 MWh/a 250 kw 500 MWh/a 90 kw 100 MWh/a

15 Gasthaus

16 Freibad

17 Altbau / Kirche Heizenergie Warmwasser

18 EnEV Heizenergie Warmwasser

19 EnEV 15% (KfW 40; Passivhaus) Heizenergie Warmwasser

20 Datengrundlagen Wärmebedarf kw 88 MWh/a 20 kw 32 MWh/a 25 kw 40 MWh/a kw 24 MWh/a 30 kw 36 MWh/a 150 kw 195 MWh/a 250 kw 500 MWh/a 90 kw 100 MWh/a

21 Datengrundlagen Jahresdauerlinie 100 % 50 % 30 % Stunden im Jahr

22 Datengrundlagen Jahresdauerlinie 100 % 50 % 30 % Stunden im Jahr

23 Holzverbrennung Die Verbrennung von Holz läuft in 3 Phasen ab: 1. Phase Trocknung (bis 150 C) Das im Holz gebundene Wasser wird verdampft. Wärme wird verbraucht. 2. Phase Pyrolyse (150 bis 600 C) Die brennbaren Holzbestandteile (ca. 85 %) werden freigesetzt. Übrig bleibt Holzkohle (ca. 14 %). Wärme wird verbraucht. 3. Phase Oxidation (400 bis C) Die freigesetzten Gase werden verbrannt (Sauerstoffzufuhr). Die Holzkohle wird verbrannt (Sauerstoffzufuhr). Wärme wird freigesetzt. Asche bleibt übrig (ca. 1%).

24 Jahresdauerlinie 100 % 50 % 30 % 30 % der Nennleistung Stunden im Jahr

25 Datengrundlagen Jahresdauerlinie ca Vbh/a mit einem 800 kw BM Kessel % der Nennlst. vom 800 kw Stunden im Jahr

26 Jahresdauerlinie Stunden im Jahr

27 Nahwärmenetze und Heizwerke Auslastung der Biomasseanlage Auslastung des Holzheizkessels Volllaststunden [h/a] klein Heizwerke mittlere Heizwerke große Heizwerke Durchschnitt der Heizwerke

28 Nahwärmenetze und Heizwerke Effizienz der Wärmebereitstellung Auslastung und Wärmegestehungskosten

29 Nahwärmenetze und Heizwerke Effizienz der Wärmebereitstellung Auslastung und Wärmegestehungskosten [ /MWh ] ,3 69,5 65,5 77,6 71,0 72,6 70,6 68,1 Biomassekessel Volllaststunden: < (n = 11/7) Biomassekessel Volllaststunden: < x > (n = 20/18) Biomassekessel Volllaststunden: > (n = 33/34) 40 mittlere Wärmegestehungskosten mittlere Wärmeerlöse alle Heizwerke (n = 64/59)

30 Nahwärmenetze und Heizwerke Konzeption und Ausführung Wärmeerzeugung: Biomassebrennstoff: i.d.r. Holzhackschnitzel seltener: Holzpellets, Stroh, Ganzpflanzen, Energiekorn mono- oder bivalente Wärmeerzeugung Mindestauslastung Biomasseanlage: bzw Vbh/a; ggf. Einspeisung von Abwärme mit oder ohne Wärmespeicher Basis für die Auslegung: Situationserfassung Bildquelle: QM Holzheizwerke

31 Anteil Holzenergie bivalente Anlagen Datenbasis: ; ohne erstes Berichtsjahr; neuere Heizwerke; (n = 175) 100% 90% Mittelwert: 91,% 80% Richtwert: > 80 % 70% 60% Biomassekessel-Leistung [kw]

33 Erfolgsfaktoren Nahwärmenetz Wärmebelegungsdichte 80 kw 88 MWh/a 20 kw 32 MWh/a 25 kw 40 MWh/a 15 kw 24 MWh/a 30 kw 36 MWh/a 150 kw 195 MWh/a 250 kw 500 MWh/a 90 kw 100 MWh/a

34 Wärmeverluste Bei neuen erdverlegten Wärmenetzen und moderaten Vor- und Rücklauftemperaturen kann man von einer Verlustleistung je Meter Wärmetrasse von ca. 25 Watt ausgehen. Wird das Netz das ganze Jahr über betrieben errechnen sich hieraus Verluste von (25 W/m * Stunden/a =) Wh/(m*a) = 219 kwh/(m*a) = 0,219 MWh/(m*a) 21,9 Liter Heizöl /Meter Leitung!!! was bei der empfohlenen Wärmebelegungsdichte von 1,5 MWh/(m*a) 14,6 % entspricht. Bei KfW Belegungsdichte von 0,5 MWh/(m*a) 43,8% Verluste! Es bleibt nur die Möglichkeit über die Nutzungsdauer die Verluste zu minimieren (externe Puffer )

35 Wärmeverteilungsverluste Wärmeverteilungsverluste in Abhängigkeit der Wärmebedarfsdichte (Datenbasis: Heizwerke mit Wärmenetz > 200 m und mehr als 2 Hausübergabestationen; n = 377) Wärmeverteilungsverluste 50% 40% 30% 20% 10% y = 0,1742x -0,484 R² = 0,4315 Richtwert: min. 1,5 MWh/(m*a) Zielwert: < 10 % 0% 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 Wärmebedarfsdichte [MWh/(m*a)]

36 Nahwärmenetze und Heizwerke Effizienz der Wärmebereitstellung Wärmebelegungsdichte Wärmebedarfsdichte [MWh/(m*a)] ,7 2,3 11,5 4,8 35,7 2,9 16,4 3,6 Heizwerke zur Objektversorgung Heizwerke mit Nahwärmenetz kleine Heizwerke mittlere Heizwerke große Heizwerke Durchschnitt der Heizwerke

37 Nahwärmenetze und Heizwerke Effizienz der Wärmebereitstellung Verluste der Wärmeverteilung [%] bei Biomasseheizwerken in Bayern 30% Wärmeverteilungsverluste 25% 20% 15% 10% 5% 19% 5% 5% 13% 2% 16% 15% 5% Heizwerke zur Objektversorgung Heizwerke mit Nahwärmenetz 0% kleine Heizwerke mittlere Heizwerke große Heizwerke Durchschnitt der Heizwerke

39 Planungssoftware WDesign Die Planungssoftware WDesign dient der Auslegung von Wärmeerzeugern zur Nahwärmebedarfsdeckung Folgende Wärmeerzeuger können maximal definiert werden: -5 Biomassefeuerungen (Wärme&Strom, Eco, RGK, Luvo) -5 Gas/Ölfeuerungen (Wärme&Strom, Eco, RGK) -5 BHKW (Eco, RGK, Brennstoff: Pöl, BG, Hel, Gas, usw.) -1 Solaranlage -3 sonstige Wärmeerzeuger

41 Kosten Heizung Wirtschaftlichkeit kapitalgebundene Kosten (Annuität) Bauliche Investition (Heizraum, Lagerraum, Kamin) Feuerungsanlage komplett mit Regelung und Raumaustragung Pufferspeicher Installationsteile (Druckausgleichsgefäß, Speicherladepumpe usw.) Lieferung, Montage, Inbetriebnahme Nutzungsdauer stark schwankend =>Einzelfallbetrachtung = verbrauchsgebundene Kosten Brennstoffkosten Hilfsenergie stark schwankend =>Einzelfallbetrachtung betriebsgebunden Kosten Instandsetzung/Wartung Arbeitkosten für Reinigung und Betrieb Kaminkehrer kaum beinflussbar => Erfahrungswerte sonstige Kosten Versicherung, Steuern, Verwaltung kaum beinflussbar => Erfahrungswerte Jährliche Gesamtkosten

42 Verbrauchsgebundene Kosten Heizung

43 Nahwärmenetze und Heizwerke Biomassebrennstoffe Anteil der Biomassefraktionen am Biomasseeinsatz bei Biomasseheizwerken in Bayern Waldhackgut 72% 26% 2% Naturbelassenes Industrieholz, Sägerestholz, Landschaftspflegeholz Holzpellets Datenbasis: 111 Biomasseheizwerke

44 Nahwärmenetze und Heizwerke Biomassebrennstoffe Abrechnung der Biomasselieferung bei Biomasseheizwerken in Bayern Abrechnung nach MWh nach Biomassekessel 45% 34% Abrechnung nach t 21% Abrechnung nach srm Datenbasis: 111 Biomasseheizwerke

45 Nahwärmenetze und Heizwerke Biomassebrennstoffe Preise der Holzbrennstoffe [ /MWh] bei Biomasseheizwerken in Bayern 35 Vergütung in / MWh ,3 16,9 26,9 19,6 17,5 23,4 32,1 25,0 24,7 20,1 18,6 17,0 15,8 Preis Biomasse gemäß Positivliste 1 (Waldhackgut) in /MWh Energieinhalt des Brennstoffes Preis Biomasse gemäß Positivliste 2 (Industriehackgut/Landschaftspfl.) in /MWh Energieinhalt des Brennstoffes Preis für erzeugte Wärmemenge nach Biomassekessel in /MWh Preis Holzpellets in /MWh Energieinhalt des Brennstoffes kleine Heizwerke mittlere Heizwerke große Heizwerke Durchschnitt der Heizwerke

49 Nahwärmenetze und Heizwerke Effizienz der Wärmebereitstellung Hilfsenergiebedarf [%] bei Biomasseheizwerken in Bayern 3,0% Hilfsenergiebedarf [%] 2,5% 2,0% 1,5% 1,0% 0,5% 0,0% 1,7% 2,5% 2,2% 1,4% 2,1% 1,9% 2,4% 2,3% 2,3% 1,5% 1,6% 2,1% Heizwerke zur Objektversorgung (n=21) Heizwerke mit Nahwärmenetz (n=64) Heizwerke ohne Berücksichtigung der Netzlänge (n=85) kleine Heizwerke mittlere Heizwerke große Heizwerke Durchschnitt der Heizwerke

52 Auswertung - Bilanzdaten: Aufwandsstruktur Kostenanteil [ /MWh] Aufwandstruktur relativ konstant Verbrauchsgebundene Kosten: ~ 49 % Biomassebrennstoffkosten: ~ 35 % fossile Brennstoffkosten: ~ 9,5 % Stromkosten: ~ 3,5-4 % Ascheentsorgung: ~ 0,8 % kapitalgebundene Kosten: ~ 41 % betriebsgeb. und sonstige Kosten: ~ 10% Rahmenbedingungen Brennstoffpreise stärker gestiegen Mittlere Förderquoten stark gesunken => Effizienzsteigerung

53 Nahwärmenetze und Heizwerke Effizienz der Wärmebereitstellung Wärmegestehungskosten [ /(MWh*a)] bei Biomasseheizwerken in Bayern 80 Kosten [ /MWh] mittlere Wärmegestehungskosten Biomasseheizwerke Gaspreis netto [ /MWh] Heizölpreis netto [ /MWh] 20 Preis für Waldhackgut netto [ /MWh] Preis für Sägerestholz/ Landschaftspfl. netto [ /MWh]

54 Nahwärmenetze und Heizwerke Effizienz der Wärmebereitstellung Wärmepreise [ /(MWh*a)] bei Biomasseheizwerken in Bayern 90 Nahwärmeerlöse Biomasseheizwerke AGFW Fernwärmepreis (15 kw) 80 AGFW Fernwärmepreis (160 kw) AGFW Fernwärmepreis (600 kw) [ /MWh]

55 Fazit und Ausblick Eine Wärmebereitstellung mittels Biomasseheizwerk ist machbar, hat aber ihre Grenzen! Preise für Holzbrennstoffe gestiegen ( ), Lieferung erfolgt zuverlässig. Auslastung und Effizienz der neuen Anlagen besser, dadurch nur moderat erhöhte Wärmegestehungskosten. Wärmepreise auf akzeptablem Niveau. Anlagen nach wie vor an der Grenze der wirtschaftlichen Rentabilität. Ältere Heizwerke profitieren von langfristigen Lieferverträgen. Größere Heizwerke weisen tendenziell größere Auslastung der Biomasseanlage auf, teils aber größere Wärmeverluste. einzelne Probleme: Brennstoffqualität, tatsächlicher Wärmebedarf, tatsächlicher Wärmeverlust, Wärmeliefervertrag (PGK).

56 Fazit und Ausblick Es sind zahlreiche qualitativ hochwertige Anlagen entstanden -> akzeptable Wärmepreise -> erhöhte Effizienz gleicht Kostensteigerungen teilweise aus Nur hocheffiziente Anlagen realisieren! Effizienz, Kosteneinsparungen, Versorgungssicherheit, Vorbildfunktion Die qualitätsorientierte Konzeption und Ausführung ist......auch ein Beitrag zur effizienten Nutzung der in begrenztem Umfang zur Verfügung stehenden Bioenergie.

57 Qualitätsforderungen allgemeine Zielwerte Vollbetriebsstunden Holzheizkessel min h/a bei monovalenten Anlagen min h/a bei bivalenten Anlagen min h/a bei bivalenten Anlagen mit Wärmespeicher Anteil Holzenergie min. 80 % Spezifische Investition Wärmeerzeugung max. 600 /kw bei Anlagen um 1 MW; max. 400 /kw um 3 MW Anschlussdichte min. 1,5 MWh pro Trassenmeter und Jahr Wärmeverlust der Wärmeverteilung max. 30 % (Zielwert: max. 10 %) QM Holzheizwerke

58 Ich bedanke mich für Ihr Interesse und stehe Ihnen für Fragen gerne zur Verfügung.