Energiekonzept Baugebiet Schauinsland Ludwigsburg-Neckarweihingen

Transkript

1 Auszug aus dem Energiekonzept Anlage 7 Planung und Entwicklung Gesellschaft mbh Schellingstraße 4/ Tübingen Telefon Telefax mail@eboek.de Energiekonzept Baugebiet Schauinsland Ludwigsburg-Neckarweihingen Erstellt im: Mai 2017 im Auftrag von: Projektleitung: Inhaltliche Bearbeitung: Stadt Ludwigsburg, Nachhaltige Stadtentwicklung Dipl.-Ing. Kathrin Judex Dipl.-Ing. Kathrin Judex Dipl.-Ing. Olaf Hildebrandt Dipl.-Ing. Ulrich Rochard Marc-André Claus Grundstücksexposé Schauinsland, Stand April 2019

2 2 Zusammenfassung Im Rahmen des vorliegenden Energiekonzeptes für das Planungsgebiet Schauinsland im Ludwigsburger Stadtteil Neckarweihingen wurden die städtebaulichen Voraussetzungen zur Realisierung ambitionierter energetischer Baustandards geprüft und Varianten zur wirtschaftlichen und ökologischen Wärmeversorgung untersucht. Städtebaulich energetische Analyse: Anhand eines 3D Modells wurden Schattenstudien für typische Tagesverläufe erstellt und die Einflüsse von Ausrichtung, Gebäudehöhe, Staffelung und Bepflanzung auf die Besonnung der Gebäude und Dächer qualitativ untersucht. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass im Gebiet gute städtebauliche Voraussetzungen vorliegen. Die Mehrfamilienhäuser und die Reihenhäuser im Süden des Quartiers sind überwiegend kompakt. Nur die Einfamilienhäuser haben eine deutlich schlechtere Kompaktheit. Alle Gebäude zeigen eine gute passive Nutzbarkeit der solaren Einstrahlung. Für zwei Mustergebäude, ein Mehrfamilienhaus und ein Einfamilienhaus, wurde die Erreichbarkeit unterschiedlicher Energiestandards untersucht und aufgezeigt, welcher bauliche (Wärmedämmung) und technische Aufwand (Versorgungstechnik, Lüftungsanlage mit/ohne Wärmerückgewinnung) für die Erreichung notwendig ist. Untersucht wurden die Energiestandards Passivhaus (PH), KfW-Effizienzhaus 40 (EffH40), KfW-Effizienzhaus 55 (EffH55) und der aktuell geltende Mindeststandard aus der EnEV 2014 mit den verschärften Anforderungen von 2016 (EnEV16). Im Mehrfamilienhaus kann EnEV16 mit Gasbrennwertkessel und Solarthermie nicht erreicht werden, hier muss zusätzlich eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung eingesetzt und die Solarthermie-Anlage vergrößert werden. EffH55 und EffH40 sind nicht erreichbar. Mit einem BHKW kann nur EnEV16 erreicht werden, um EffH55 zu erreichen, muss zusätzlich eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung und eine Solarthermie-Anlage eingesetzt werden, EffH40 ist mit BHKW nicht erreichbar. Mit einem Holzpelletkessel als alleinigen Erzeuger (vollregenerativ) sind alle Energiestandards erreichbar. Mit einer Wärmepumpe mit Grundwasserwärme können EnEV2016 und EffH55, nicht aber EffH40 erreicht werden. Bei der Versorgung mit Nahwärme ist der erreichbare Standard stark abhängig vom Primärenergiefaktor der Nahwärme: mit einer hypothetischen Nahwärme mit BHKW und Spitzenlastkessel (f P = 0,7) lässt sich nur EnEV16 erreichen. Das Passivhauskriterium von 15 kwh/(m 2 *a) kann mit Standardkomponenten erreicht werden. Bei den freistehenden Einfamilienhäusern kann mit Gasbrennwertkessel und Solarthermie EnEV16 nicht erreicht werden. Mit einer zusätzlichen Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung und vergrößerter Solarthermie-Anlage werden alle Seite 2

3 Standards erreicht. Mit einem Holzpelletkessel als alleinigem Erzeuger (vollregenerativ), einer Wärmepumpe mit Erdsonden oder mit Nahwärme mit einem f P < 0,53 sind alle Energiestandards erreichbar. Mit einer hypothetischen Nahwärme mit einem BHKW und Spitzenlastkessel (f P = 0,7) lässt sich keiner der Energiestandards ohne zusätzlichen Aufwand erreichen. Der Passivhausstandard kann im Einfamilienhaus nur mit deutlich erhöhtem technischem Aufwand erfüllt werden und es ist mit einer schlechteren Wirtschaftlichkeit zu rechnen. Die Verbesserung der Kompaktheit wäre hier hilfreich (z.b. Bildung von Doppel- oder Reihenhäusern). Die Wärmeversorgung mit einer teilregenerativen/regenerativen Energiequelle oder mit einer guten Nahwärme (f P < 0,53) lassen bautechnisch fast alle Möglichkeiten offen. Sie sind daher auch für die Umsetzung der KfW-Standards und kommender Standards bei Novellierung der Energieeinsparverordnung adäquat. Bei der Umsetzung ist in jedem Fall auf eine gute, energiesparende Gebäudehülle zu achten. Da auch erneuerbare Energien Ressourcen darstellen, deren Verfügbarkeit begrenzt ist, darf keinesfalls (wie nach dem Regelwerk der EnEV durchaus möglich) eine schlechte Hülle mit einer guten Versorgung kompensiert werden. Qualitative Untersuchung der potenziellen Energieträger: eine Erdgasleitung mit ausreichender Kapazität ist in der Nähe vorhanden. Für die Stadt Ludwigsburg kommt für eine zentrale Versorgung mit Nahwärme nur Biomethan in Frage, für die dezentrale Versorgung wird von Erdgasnutzung ausgegangen. Im Norden und im Osten des Gebiets liegt eine Nahwärmeleitung des Nahwärmeverbunds Neckarweihingen, über die das Gebiet mit Nahwärme versorgt werden könnte. Für die Wärmeversorgung über eine Wärmepumpe ist kein ausreichend großer Abwasserkanal in der Nähe verfügbar, Erdwärmesonden sind aufgrund der maximalen Bohrtiefe von 33 m nur für den Einsatz in Einfamilienhäusern denkbar, Grundwasserwärmenutzung aufgrund der tiefen Lage des Grundwassers von 40 m nur für den Einsatz in Mehrfamilienhäusern. Holz ist ohne Einschränkung einsetzbar, Hackschnitzel sind lokal vorhanden. Das Potenzial der solaren Einstrahlung wurde ermittelt und - wo sinnvoll möglich - bei den dezentralen Versorgungsvarianten berücksichtigt. Als mögliche zentrale Versorgungssysteme wurden untersucht: Zentrale Holzhackschnitzelanlage mit Spitzenlastkessel BHKW (biomethanbetrieben) mit Spitzenkessel (erdgasbetrieben) Anschluss an das Verbundnetz Neckarweihingen Seite 3

4 Als mögliche dezentrale Versorgungssysteme wurden untersucht: Erdgas-Brennwertanlage und Solarthermie Holzpelletkessel monovalent BHKW und Spitzenkessel (nur Mehrfamilienhaus) Elektrische Wärmepumpe, Wärmequelle Grundwasser (nur Mehrfamilienhaus) Elektrische Wärmepumpe, Wärmequelle Erdwärme (nur Einfamilienhaus) Anschluss an die kostengünstigste Nahwärmevariante Ergebnisse Nahwärmevarianten (zentrale Versorgungssysteme): Die BHKW- Variante hat gegenüber der Holzvariante knapp 40 % geringere CO 2 -Emissionen und Primärenergiefaktor f P = 0. Noch besser ist die Nahwärme des Verbunds Neckarweihingen mit 50 % geringeren CO 2 -Emissionen gegenüber der Holzvariante und Primärenergiefaktor f P = 0. Die Investitionskosten beider Varianten liegen in gleicher Größenordnung. Trotz Stromvergütung ist die BHKW-Variante deutlich unwirtschaftlicher als die Holzhackschnitzelvariante. Grund hierfür ist der hohe Bezugspreis für Biomethan. Verglichen mit der Holzhackschnitzelvariante sind die mittleren Wärmepreise des Wärmeverbunds Neckarweihingen knapp 10 % günstiger. Aufgrund dieser Ergebnisse wird empfohlen, den Anschluss an den Wärmeverbund Neckarweihingen der Versorgung über eine Nahwärmezentrale vorzuziehen. Ergebnisse Wärmeversorgungsvarianten aus Nutzersicht: Wärmeversorgung: Die CO 2 -Emissionen der Varianten Pellets und Verbund Neckarweihingen liegen in gleicher Größenordnung, alle weiteren liegen doppelt bis 4-fach so hoch. Verbund Neckarweihingen ist die einzige Variante mit einem Primärenergiebedarf von fast 0. Der Anschluss an den Verbund Neckarweihingen hat % geringere Investitionen als die günstigste dezentrale Variante (Pellets). Der Anschluss an den Verbund Neckarweihingen (bei MFH auch Pellets) ist innerhalb eines Energiestandards die wirtschaftlichste Variante. Verbund Neckarweihingen ist eine der wirtschaftlichsten und umweltverträglichsten Varianten. Daher lautet die Empfehlung: Anschluss aller Gebäude an den Verbund Neckarweihingen. Energiestandard: EffH40 und Passivhaus liegen wirtschaftlich schlechter als EffH55 oder EnEV16, weisen aber nicht entsprechend bessere ökologische Kennwerte auf. Für das Seite 4

5 Erreichen geringer CO 2 -Emissionen ist die Versorgungsart ausschlaggebend. Da das Gebäudeenergiegesetz für Wohngebäude voraussichtlich ab dem gilt und bis zu diesem Zeitpunkt bereits einige Gebäude im Baugebiet Schauinsland nach den heutigen Standards gebaut worden sind, wird empfohlen, EffH55 für alle Gebäude verbindlich festzulegen. Die grundsätzlichen energetischen Ziele für das Quartier sind also: 1. Energiestandard KfW-Effizienzhaus 55 für alle Gebäude verbindlich festlegen. 2. Deckung des Wärmebedarfs für Heizung und Warmwasser durch den Anschluss an den Wärmeverbund Neckarweihingen mit Anschluss- und Benutzungsgebot für das gesamte Gebiet. Zur Umsetzung dieser energetischen Ziele empfehlen wir der Stadt, folgende Steuerungsinstrumente und Motivationsbausteine einzuführen: 1. Die Umsetzung des EffH-55-Standards und ein Anschluss- und Benutzungsgebot an den Wärmeverbund Neckarweihingen im städtebaulichen Vertrag und/ oder in den privatrechtlichen (Folge-) Verträgen mit einer grundbuchlichen Absicherung. 2. Ein Qualitätssicherungsverfahren, das über den von der Stadt beauftragten Erschließungs- bzw. Vorhabenträger oder über die Stadt selbst abgewickelt wird. 3. Die fachliche Begleitung und Investorengespräche durch Energiefachleute und zusätzlich die Unterstützung von Fachleuten (SWLB, Architekten, Planer, Handwerker, etc.) durch Fachberatungen und Fachveranstaltungen zur Umsetzung des Effizienzhaus- und Wärmeversorgungskonzeptes. 4. Aufbau eines Marketingkonzeptes. Etablierung einer lokalen Marke Schauinsland. Seite 5

6 7 Wärmeversorgungsvarianten aus Nutzersicht Die Umweltbilanz und Wirtschaftlichkeit verschiedener Versorgungsvarianten wurde für dieselben Mustergebäude wie in Kapitel 4.3, siehe Abb. 10 untersucht. Tab. 11: Rahmendaten der Mustergebäude Einfamilienhaus (EFH) Mehrfamilienhaus (MFH) Energiebezugsfläche m Heizwärmebedarf inkl. Verluste EnEV16 EffH55 EffH40 PH kwh/a WW-Bedarf inkl. Verluste kwh/a Heizleistung kw / 34 / 33 / Beschreibung der Wärmeversorgungsvarianten Mehrfamilienhaus MFH Erdgas-Brennwertanlage und Solarthermie Diese Wärmeversorgungsvariante besteht aus einem Erdgas-Brennwertkessel und einer Solarthermie-Anlage mit zugehörigem Solarspeicher, die mit 0,035 m 2 Kollektorfläche je m 2 Nutzfläche ausgelegt ist und damit 17 % des Gesamtenergiebedarfs und 50 % des Energiebedarfs zur Warmwassererzeugung deckt. Das EEWärmeG wird mit dieser Kollektorgröße erfüllt. Das MFH kann mit Brennwertanlage und Solarthermie nur den EnEV16- und den PH-Standard erreichen und dies auch nur unter Einsatz einer geregelten Zu- und Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung (WRG). Daher wird diese Versorgungsvariante nur mit WRG und nur für diese beiden Energiestandards gerechnet. Erdgas-BHKW und Spitzenkessel Die Heizzentrale umfasst das BHKW, einen Spitzenkessel und einen Pufferspeicher, sowie eine Frischwasserstation für die Trinkwarmwasserbereitstellung. Seite 42

7 Tab. 12: Auslegung BHKW und Spitzenkessel für Muster-MFH EnEV2016 EffH55 PH BHKW 6 kw el, 11 kw th 3,9 kw el, 7,8 kw th 3 kw el, 6,4 kw th Spitzenlastkessel 32 kw 30 kw 30 kw Pufferspeicher 860 l 860 l 860 l Unter Einsatz eines BHKWs können nur der EnEV16- und der PH-Standard erreicht werden. Um den EffH55-Standard zu erreichen, muss zusätzlich eine Lüftungsanlage mit WRG eingesetzt werden. Holzpelletkessel monovalent Die Heizzentrale für diese Versorgungsvariante umfasst einen Holzpelletkessel, ein Pelletlager und eine Frischwasserstation für die Trinkwarmwasser-Bereitstellung. Elektrische Wärmepumpe, Wärmequelle Grundwasser Das MFH erhält einen Saug- und einen Schluckbrunnen zur Grundwassernutzung. Der Heizungsraum umfasst eine Wärmepumpe und einen Pufferspeicher, um Abschaltungen durch den Netzbetreiber abzupuffern sowie eine Frischwasserstation. Mit dieser Variante kann der EffH40-Standard nicht erreicht werden. Anschluss an den Wärmeverbund Neckarweihingen Das Gebäude erhält einen Nahwärmeanschluss mit Übergabestation, einen Pufferspeicher, um den Leistungsbedarf gering zu halten und eine Frischwasserstation Einfamilienhaus EFH Erdgas-Brennwertanlage und Solarthermie Diese Wärmeversorgungsvariante besteht aus einem 10 kw Erdgas-Brennwertkessel und einer Solarthermie-Anlage mit zugehörigem Solarspeicher, die mit 0,048 m 2 Kollektorfläche je m 2 Nutzfläche ausgelegt ist und damit % des Gesamtenergiebedarfs (je nach Energiestandard) und 65 % des Energiebedarfs zur Warmwassererzeugung deckt. Mit der Kollektorfläche wird auch das [EEWärmeG 2015] erfüllt. Das EFH kann mit Brennwertanlage und Solarthermie alle Standards erreichen, wenn zusätzlich eine geregelte Zu- und Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung (WRG) eingesetzt wird. Daher wird diese Versorgungsvariante nur mit WRG gerechnet. Seite 43

8 Holzpelletkessel monovalent Das EFH wird über einen 10 kw Holzpelletskessel monovalent versorgt. Es werden außerdem ein Sacksilo und ein Pufferspeicher zur Reduzierung der An- und Abschaltvorgänge benötigt. Elektrische Wärmepumpe, Wärmequelle Erdwärme Für eine 10 kw Wärmepumpe wird eine Erdwärmesondenbohrung von m Länge je nach Bodenqualität benötigt. Unter der Annahme, dass 33 m tief gebohrt werden kann (vgl. Kapitel Umweltwärme), werden für das Muster-EFH 5 6 Erdwärmesonden benötigt. Aufgrund von eventuellen Abschaltungen der Wärmepumpe durch den Netzbetreiber wird ein Pufferspeicher mit etwa 500 l benötigt. Anschluss an den Wärmeverbund Neckarweihingen Das EFH erhält einen Nahwärmeanschluss und eine Übergabestation mit 10 kw Leistung. Zur Reduktion des Leistungsbedarfs wird ein Trinkwarmwasserspeicher von ca. 200 l benötigt. 7.2 MFH Wirtschaftlichkeit aus Nutzersicht Nutz und Endenergie Abb. 22: Nutz- und Endenergie Muster-MFH nach Varianten Seite 44

9 Der Blick auf die annuitätischen Jahreskosten (Abb. 25) zeigt, dass sich die Wirtschaftlichkeit der Energiestandards EnEV2016 und EffH55 nicht stark voneinander unterscheiden. Die BHKW-Variante bildet eine Ausnahme, da für den EffH55-Standard eine Lüftungsanlage mit WRG eingesetzt werden muss. Der EffH40-Standard hebt sich bereits etwas ab und der PH-Standard ist deutlich unwirtschaftlicher. Der Vergleich der Varianten innerhalb eines Energiestandards ergibt, dass die Versorgungsvarianten alle in ähnlicher Größenordnung liegen, mit der Tendenz, dass die Pellet- und die Nahwärmevariante etwas günstiger sind. Eine Ausnahme bildet wieder die BHKW-Variante mit WRG im Energiestandard EffH55, die deutlich erhöhte jährliche Kosten aufweist. 7.3 EFH Wirtschaftlichkeit aus Nutzersicht Nutz und Endenergie Abb. 26: Nutz und Endenergie Muster-EFH Abb. 26 zeigt den Energiebedarf für Heizung und Warmwasser des Muster-EFH (orange), den Energiebedarf der Heizungsanlage (hellgelb) und den Hilfsstrombedarf der Heizungsanlage (gelb). Seite 48

10 Die Differenz zwischen den gelben und den orangefarbenen Balken bei den Varianten Pellets und Nahwärme spiegelt die Anlagenverluste wider. Bei den Varianten mit Solarthermie oder Wärmepumpe liegen die gelben Balken so niedrig, weil sie nur den Gas- / Strombedarf darstellen, die Umweltwärme (Solarstrahlung / Erdwärme) wird nicht dargestellt Umweltwirkung Abb. 27: Primärenergie und CO 2-Emissionen Muster-EFH Im Vergleich der Energiestandards untereinander fällt auf, dass der PH-Standard gegenüber dem EffH40-Standard erhöhte Emissionen und Primärenergieeinsatz hat (mit Ausnahme des Brennwertkessels). Dies erklärt sich aus dem Strombedarf für die WRG, die im PH eingesetzt wird. Innerhalb eines Energiestandards sind die Varianten Pellets und Nahwärme in gleicher Größenordnung bei ca. 0,5 0,7 t/a die emissionsärmsten Varianten, die nachfolgende Variante WP weist mindestens verdoppelte CO 2 -Emissionen auf. Es folgt der Brennwertkessel mit mindestens dreifachen Emissionen. Seite 49

11 Primärenergieseitig ist die Nahwärme mit Abstand die beste Variante aufgrund des Primärenergiefaktors des Verbunds Neckarweihingen von 0; die Primärenergieemissionen kommen ausschließlich aus dem Strombedarf für die Heizungspumpen und Lüftungsventilatoren). Zweitbeste Variante ist die Pelletvariante mit 3 4 MWh/a, gefolgt von den WP-Varianten mit etwa 5 7 MWh/a Investitionen Abb. 28: Investitionen Muster-EFH nach Varianten Der Vergleich der Energiestandards untereinander zeigt, dass die Investitionen sich erwartungsgemäß erhöhen, je besser der Energiestandard wird. Ausnahme bildet das Kompaktaggregat im PH, hier wurden die Kosten für die Flächenheizung herausgerechnet, da bei Einsatz eines Kompaktaggregats die Wärmezufuhr ausschließlich über die Lüftungsanlage erfolgt und keine Flächenheizungen notwendig sind. Innerhalb eines Energiestandards ist die Nahwärme immer die Variante mit den geringsten Investitionen (Ausnahme: Kompaktaggregat), gefolgt von der Pelletvariante. Brennwertkessel und WP-Variante liegen in ähnlicher Größenordnung. Hier liegt eine Ausnahme im Passivhausstandard vor, da im Passivhaus alle Versorgungsvarianten eine Lüftungsanlage mit WRG haben. Seite 50

12 7.3.4 Wirtschaftlichkeit Abb. 29: Wirtschaftlichkeit der Muster-EFH-Varianten, annuitätisch Der EffH55-Standard ist für die Pellets- und die Nahwärmevariante ca. 230 EUR/a teurer als dieselbe Variante im EnEV-Standard, das entspricht etwa 5 7 %. Der EffH40-Standard ist für die Pellets- und die Nahwärmevariante ca. 520 EUR/a teurer als dieselbe Variante im EnEV-Standard, das entspricht etwa 15 %. Die Nahwärmeversorgung ist aufgrund der niedrigen Investitionen mit EUR/a (je nach Energiestandard) die wirtschaftlich günstigste Variante gefolgt von Brennwertkessel und WP-Variante mit EUR/a. Die Pelletvariante bildet mit EUR/a das Schlusslicht. Seite 51

13 7.4 Ergebnisse / Empfehlungen Wärmeversorgungsvariante CO 2 -Emissionen: Die Varianten Pellets und Verbund Neckarweihingen liegen in gleicher Größenordnung, alle weiteren liegen doppelt bis 4-fach so hoch. Primärenergiebedarf: Verbund Neckarweihingen ist die einzige Variante mit fast 0. Investitionen: Der Anschluss an den Verbund Neckarweihingen hat % (EFH %) geringere Investitionen als die günstigste dezentrale Variante (Pellets). Wirtschaftlichkeit: Der Anschluss an den Verbund Neckarweihingen (und bei MFH auch Pellets) ist innerhalb eines Energiestandards die wirtschaftlichste Variante. Verbund Neckarweihingen ist eine der wirtschaftlichsten und umweltverträglichsten Varianten. Daher lautet die Empfehlung: Anschluss aller Gebäude an den Verbund Neckarweihingen. Ein zusätzlicher Vorteil der zentralen Versorgung besteht darin, dass auf die Versorgungsart auch in Zukunft einfach Einfluss genommen werden kann. Energiestandard: EffH40 und Passivhaus sind wirtschaftlich schlechter gestellt, weisen aber nicht entsprechend bessere ökologische Kennwerte auf. Für die Umweltseite ist die Versorgungsart ausschlaggebend. Da das GEG für Wohngebäude voraussichtlich erst ab dem gilt (siehe Kapitel 4.3.3) und bis zu diesem Zeitpunkt bereits einige Gebäude im Baugebiet Schauinsland nach den heutigen Standards gebaut worden sind, wird empfohlen, den Energiestandard EffH55 für alle Gebäude verbindlich festzulegen. Seite 52