Nutzung der Abwärme aus Erneuerbare-Energie-Anlagen

Transkript

1 Sonderdruck us BWK Wichtige Kennzhlen und effiziente Plnung für die dezentrle Wärmewende Nutzung der Abwärme us Erneuerbre-Energie-Anlgen

2 Wichtige Kennzhlen und effiziente Plnung für die dezentrle Wärmewende Nutzung der Abwärme us Erneuerbre-Energie-Anlgen Kommunle Werke wie die Stdtwerke Abensberg setzen uf die dezentrle Wärmewende. NAHWÄRMENETZE Angesichts steigender Gs- und Ölpreise suchen viele Kommunen nch Alter - ntiven zur herkömmlichen Energieversorgung. Einige Gemeinden sind bereits einen Schritt weiter: Sie beziehen ihre Heizenergie über ein Nhwärmenetz. Als Wärmequelle können die unterschiedlichsten Energieträger und Technologien zum Einstz kommen. Eine Möglichkeit ist die Nutzung der Abwärme us dem Verstromungsprozess in Biogsnlgen mittels Blockheizkrftwerken (BHKW). Aber uch Hckschnitzel- / Pelletskessel dienen häufig ls Wärmeerzeuger. Kurzum, Wärmenetze sind technologieoffen, und es können die regionl verfügbren insbesondere erneuerbre Energieressourcen eingebunden werden. Ob sich die Investition in ein Nhwärmenetz im konkreten Einzelfll lohnt, knn mithilfe einiger wichtiger Kennzhlen schon frühzeitig bgeschätzt werden. Welche ds sind, soll im Rhmen dieses Beitrgs erläutert werden. Bei der Relisierung von Projekten mit erneuerbren Energien werden ls Motiv oft ökologische Gründe gennnt. Die meisten Konzepte werden jedoch nur dnn in die Prxis umgesetzt, wenn eine Investition uch us ökonomischer Sicht Sinn mcht. Um die Wirtschftlichkeit richtig beurteilen zu können, ist eine Vollkostenrechnung notwendig. Diese dient der Vergleichbrkeit unterschiedlicher Wärmekonzepte. Für die Vollkostenrechnung einer Versorgung mittels Nhwärmenetzes müssen die kpitlgebundenen Kosten für die Heizzentrle (Wärmeerzeugung, Pufferspeicher, Pumpentechnik und Steuerung) und ds Nhwärmenetz smt Tiefbu sowie die Husübergbesttionen, die betriebsgebundenen Kosten (Versicherung, Verwltung usw.) und die verbruchsgebundenen Kosten für den Brennstoff und Pumpenstrom berücksichtigt werden. Sttliche Förderung n Bedingungen geknüpft Ein wichtiger Fktor bei der Finnzierung von Nhwärmenetzen ist die sttliche Förderung. Allerdings ist diese n bestimmte Bedingungen geknüpft. Relevnt hierfür sind der prozentule Wärmeverlust sowie die. Prozentuler Wärmeverlust Der prozentule Wärmeverlust eines Nhwärmenetzes beschreibt ds Verhältnis der Verlustwärmemenge (WM) zur verkuften Wärmemenge, dieser Wert sollte 25 % nicht übersteigen. Ansonsten droht der Verlust der entsprechenden Einspeisevergütung nch dem Erneuerbre-Energien-Gesetz (EEG). Unbhängig dvon ist durch eine effiziente Plnung der Wärmeverlust so gering wie möglich zu hlten. Höhere Wärmeverluste führen utomtisch zu steigenden Wärmegestehungskosten und beeinflussen dmit die Wirtschftlichkeit negtiv [1].

3 Verlegung einer Nhwärmeleitung in der Smtgemeinde Lthen. Die lokle Wärmewende mittels flexibler Nhwärmerohrsysteme ist strk im kommen. eingespeiste WM verkufte WM Wä rmeverlust verkufte WM v Verlust WM verkufte WM % [ ] Die beschreibt ds Verhältnis des jährlichen Wärmebedrfs ller Abnehmer zur Trssenlänge, lso den durchschnittlichen Wärmetrnsport pro Meter und Jhr. Wird eine von 500 kwh/(mù) eingehlten, besteht Anspruch uf finnzielle Förderung us dem KfW-Progrmm durch einen direkten Tilgungszuschuss von 60 /m [2]. verkufte Wärmemenge kwh Trssenlänge des Wärmenetzes m ( 2) Wichtige Kennzhlen Um im Vorfeld beurteilen zu können, ob ein Nhwärmenetz effizient und wirtschftlich betrieben werden knn und ob mit sttlichen Förderungen zu rechnen ist, ht der Systemnbieter Rehu im Rhmen einer Studie die Dten verschiedener erfolgreich relisierter kommunler Wärmenetze nlysiert und drus die folgenden wichtigen Kennzhlen bgeleitet. Vollbenutzungsstunden Nhwärmenetz Unter Vollbenutzungsstunden Nhwärmenetz ist ds Verhältnis us der Summe der verkuften Wärme ller Anschlussnehmer zu der Summe der Nennleistung ller Anschlussnehmer zu verstehen. ( 1) Die Auswertungen hben ergeben, dss die Vollbenutzungsstunden für ein typisches Nhwärmenetz zwischen und h/ liegen. Je höher die Vollbenutzungsstunden Nhwärmenetz sind, desto effizienter ist ds Netz, ds heißt, desto höher ist die und desto geringer sind die prozentulen Wärmeverluste. Höhere Vollbenutzungsstunden können erreicht werden, wenn n ds Nhwärmenetz kontinuierliche Abnehmer (diese hben nnähernd konstnte Wärmebedrfe über ds gesmte Jhr) sowie zusätzlich Abnehmer mit einem usgeprägten Wärmebedrf im Sommer, wie zum Beispiel ein Freibd, ngeschlossen werden. Spezifische Netzlänge Wie weit zwei Gebäude innerhlb eines Nhwärmenetzes im Durchschnitt voneinnder entfernt sind, ht großen Einfluss uf die sowie den Wärmeverlust innerhlb des Netzes. Die spezifische Netzlänge gibt ds Verhältnis der Trssenlänge (TL) zur Anzhl der Anschlussnehmer (AN) innerhlb eines Nhwärmenetzes wieder. Trssenlänge des Wärmenetzes m Spezifische Netzlänge Anschlussnehmer AN ( 4 ) An ds Nhwärmenetz in der Kommune Rndegg in der Nähe des Bodensees sind beispielsweise 147 Hushlte ngeschlossen. Bei einer Trssenlänge von m ergibt sich ddurch eine spezifische Netzlänge von knpp 50 m, die für ein Projekt in einem Ort mit ländlicher bzw. dörflicher Struktur ls idel ngesehen werden knn. Gnz llgemein gilt: je kleiner die spezifische Netzlänge, desto effizienter ist ds Wärmenetz. Sind größere Wärmebnehmer n ds Netz ngeschlossen, können uch Netze mit deutlich größeren spezifischen Netzlängen wirtschftlich betrieben werden, d durch diese Abnehmer die positiv beeinflusst wird. Mittlere Anschlussleistung verkufte WM hvoll,nw Nennleistung ( 3) Einfmilienhäuser unterscheiden sich in ihrem Wärmebedrf strk von Mehrfmilienhäusern oder öffentlichen Gebäuden wie Sporthllen, Schulen oder uch Verwltungsgebäuden.

4 Aus diesem Grund ist es sinnvoll, die einzelnen Anschlussnehmer innerhlb eines Nhwärmenetzes im Vorfeld zu nlysieren und eine genue Nennleistungsermittlung jedes einzelnen Anschlussnehmers vorzunehmen. Um frühzeitig die Sinnhftigkeit des Bus eines Nhwärmenetzes bschätzen zu können, eignet sich die mittlere Anschlussleistung ls spezifische Kenngröße. Zur Ermittlung der mittleren Anschlussleistung wird die Summe der Nennleistung ller Anschlussnehmer ins Verhältnis zur Anzhl der Anschlussnehmer (AN) gesetzt. Nennleistung kw Mittlere Anschlussleistung Anschlussnehmer AN ( 5) Beispielhft für ein Netz mit reltiv vielen großen Wärmebnehmern ist ds Wärmeverbundnetz der Wohn- und Lebensgemeinschft Lutenbch, Heimt für rund 180 betreute Menschen: Der Ort besteht in der Mehrzhl us reltiv großen Litertur [1] Bundesumweltministerium. Erneuerbre-Energien-Gesetz (EEG) 2012, [2] KfW Kreditnstlt für Wiederufbu: Merkbltt KfW-Progrmm erneuerbre Energien, [3] Euring, M.: Gleichzeitigkeit der unterschätzte Fktor. BWK 64 (2012), Nr. 12, S Plnung eines Nhwärmenetzes. Wohn- und Verwltungsgebäuden mit einer mittleren Anschlussleistung von 60 kw. Dieser Wert liegt deutlich über dem Durchschnitt. Bei der Auswertung der Nhwärmenetze wurde ermittelt, dss etw drei Viertel der Wärmebnehmer eine Anschlussleistung von 20 kw oder weniger besitzen. Dies zeigt deutlich, dss in diesem Segment größere Wärmebnehmer eher die Ausnhme sind. Als Richtwert ist eine minimle mittlere Anschlussleistung von 10 bis 15 kw für den effizienten Betrieb eines Nhwärmenetzes nzustreben. Bei Neubusiedlungen könnte dieser Wert bedingt durch geringere Energiebedrfe verfehlt werden. Liegt der Wert drunter, ist dies nicht zwngsläufig ein Ausschlusskriterium eine sehr geringe spezifische Netzlänge beispielsweise würde die niedrige mittlere Anschlussleistung wieder usgleichen. Ein weiteres Argument für den Anschluss eines Neubugebietes könnte der geringe Kostennteil für den Tiefbu des Wärmenetzes sein, wenn die Verlegung der Leitungen im Rhmen der Erschließung durchgeführt wird. Ds Beispiel Lutenbch zeigt drüber hinus, dss unter bestimmten Umständen uch Wärmenetze mit einer hohen spezifischen Netzlänge von knpp 100 m effizient betrieben werden können: Eine hohe mittlere Anschlussleistung gleicht diesen Nchteil wieder us, wodurch der gesmte Wärmeverlust hier deutlich unter 25 % liegt. Allgemein sollten möglichst hohe en ngestrebt werden, d sich ds positiv uf die Effizienz uswirkt.

5 Der Mindestwert sollte jedoch dem von der KfW-Förderbnk geforderten Wert von 500 kwh/(mù) entsprechen. Ein gutes Beispiel hierfür ist ds Nhwärmenetz Schäferei / Wldmünchen. Der Ortskern besitzt mit einer Trssenlänge von 700 m und 14 Anschlussnehmern ein reltiv kompktes Nhwärmenetz (spezifische Netzlänge von 50 m), so dss eine von etw 600 kwh/(mù) erreicht wird. In der frühen Plnungsphse ist nicht immer ohne Weiteres einschätzbr, welche im Endusbu erreicht wird. Um den geforderten Wert von 500 kwh/(mù) zu erzielen, hilft nchfolgender Rechennstz, bei dem die Trssenlänge und die mittlere Anschlussleistung bzw. die Summe ller Anschlussnehmer berücksichtigt werden. Die verkufte Wärmemenge entspricht dem Produkt der und der Trssenlänge. Jedoch knn die verkufte Wärmemenge uch über die Summe der Anschlussleistungen und den Vollbenutzungsstunden des Nhwärmenetzes ermittelt werden, folglich können die Formeln (I) und (II) gleichgesetzt werden. ( ) I verkufte Wärmemenge Trssenlä nge (6) ( II ) verkufte Wärmemenge Q ɺ hvoll,rw ( 7 ) ( III ) Trssenlänge Qɺ h ( 8 ) Die Mindestwärmebelegung mit 500 kwh/(mù) und die Vollbenutzungsstunden Nhwärmenetz mit h/ (vergleiche Auswertung Vollbenutzungsstunden Nhwärmenetze) sind beknnt, somit können nun mit Gleichung (III) Aussgen getroffen werden, um die Mindestwärmebelegung einzuhlten. Ermittlung der mximlen Trssenlänge Ist beknnt, wie viele Anschlussnehmer sich n ein Nhwärmenetz nschließen lssen wollen und welchen Wert die mittlere Anschlussleistung nnimmt, so knn mit Gleichung (III) die mximl mögliche Trssenlänge ermittelt werden, um die Mindestwärmebelegung von 500 kwh/(mù) nicht zu unterschreiten. TL des Wärmenetzes M es Mittl. AL AN h ( Q ɺ h mx. TL ( 10) Beispiel: 50 Anschlussnehmer und die mittlere Anschlussleistung beträgt 15 kw Q ɺ h mx. TL 15kW/ AN 50AN 1 500h/ mx. TL m 500 kwh/ m ( ) W ( 9) ( 11) (12) Um die Mindestwärmebelegung einhlten zu können, drf die Trssenlänge mximl m betrgen. Ermittlung der mindestens benötigten Nennleistung Ist dgegen der Trssenverluf schon beknnt, so knn die mindestens benötigte Nennleistung ermittelt werden. TL des Wärmenetzes Qɺ h ( 13) W rmebelegung TL mind. Qɺ ä ( 14 ) h Beispiel: Trssenlänge m W rmebelegung TL mind. Q ɺ ä h mind. kwh m m Qɺ 500 / ( ) kw 1500 h/ (16) Die ufsummierte Mindestnennleistung beträgt kw. Für den Fll, dss der Wert geringer ist, muss versucht werden, entlng der Strecke weitere Anschlussnehmer für ds Projekt zu gewinnen oder lterntiv einzelne weit vom Dorfkern entfernte Abnehmer zur Einhltung der Mindestwärmebelegung nicht nzuschließen. Fzit Eine erste Bewertung der Konzeption einer Wärmeversorgung mit einem Nhwärmenetz knn mithilfe der in diesem Beitrg erläuterten Kennzhlen schon frühzeitig erfolgen. Grundlge sind nchfolgende wichtige Ausgngsdten, die vor Ort zu ermitteln sind: > Trssenlänge, > Anzhl der Anschlussnehmer, > Nennleistung der Anschlussnehmer. Ist diese erste Bewertung nhnd der Kennzhlen positiv, folgt eine Vollkostenbetrchtung, um die Wirtschftlichkeit im Vergleich zur bisherigen bzw. nderen konventionellen Versorgungslösungen zu beurteilen. Im Rhmen der nschließenden Plnung kommt der genuen Leistungsermittlung, der optimlen Netzkonzeption sowie der Berücksichtigung des Gleichzeitigkeitsfktors eine besondere Bedeutung zu. Insbesondere ds Them Gleichzeitigkeit [3] birgt ein erhebliches Potenzil zum Erreichen einer wirtschftlichen Wärmeversorgungslösung. i Autor Dipl.-Ing. (FH) Olf Kruse, Projektleiter Kommunle Wärmenetze, Rehu AG + Co., Erlngen. i olf.kruse@rehu.com Bei der Erstellung des Fchrtikels wurde folgende Quelle mßgeblich herngezogen: Bchelorrbeit: Stnkll, R.: Ermittlung projektspezifischer Kennzhlen zur effizienten Plnung von Nhwärmenetzen, ( 15) Springer-VDI-Verlg GmbH & Co. KG, Düsseldorf 2014

6 Bu Automotive Industrie PARTNERSCHAFT VERBINDET REHAU ht uns bei llen technischen Frgen der Plnung und Ausführung stets ehrlich berten und gut unterstützt. Nikolus Wolf, Projektleiter Wärmenetz Hellmnnshofen - Interntionle Erfhrung in der Plnung und Entwicklung von dezentrlen Wärmekonzepten - Lngjährige Zusmmenrbeit mit den wichtigsten Know-how Trägern im Mrkt Bioenergie - Innovtionstreiber in der effizienten Plnung von dezentrlen Nhwärmenetzen