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1 13. Holzenergie-Symposium! Leitung:!Prof. Dr. Thomas Nussbaumer!! Zürich und Hochschule Luzern! Patronat:!Bundesamt für Energie! Ort:!ETH Zürich! Datum:!Zürich, 12. September 2014!

2 Einfluss von Auslegung und Betrieb auf die Wirtschaftlichkeit von Fernwärmenetzen Thomas Nussbaumer & Stefan Thalmann Zürich 13. Holzenergie-Symposium, Zürich, 12. September 2014

3 1. Einleitung und Zielsetzung 2. Vorgehen 3. Annahmen 4. Resultate 4.1 Wärmeverteilverluste 4.2 Wirtschaftlichkeit 5. Schlussfolgerungen

4 Erste Fernwärme in der Römerzeit vor über 2000 Jahren Erstes Fernwärmenetz: 1877 Lockport (NY, USA) Heute: Beheizung von Wohngebäuden mit Fernwärme in Europa 2010 Zielwert Deutschland DK, S: 50% Schweiz: ca. 4% 2% GEV DK und S: 50% Schweiz etwas über 10% [Arbeitsgemeinschaft für Wärme und Heizkraftwirtschaft: AGFW Frankfurt 2011]

5 Fernwärme in der Schweiz von 1980 bis 2013 Achtung: Die Erhebung erfasst nur grosse Netze (KVA) 20'000 TJ 15'000 Netzabgabe Endverbrauch Fernwärme Verlust 20% 18'000 TJ/a = 2% GEV 15% 10'000 8'000 TJ/a 10% 5'000 5% % [Gesamtenergiestatistik 2013, BfE 2014]

6 Förderprogramm Fernwärme Schweiz von 2009 bis 2012 Vorgaben 55 Mio. Franken verfügbar Anforderungen Wärme zu > 80% erneuerbar Mindestgrösse 1000 MWh/a Anschlussdichte > 1.3 MWh/(m a)* (Start) > 2.0 MWh/(m a) (Ausbau) *m = Trassemeter Wirkung 44 Mio. Franken verpflichtet 294 Mio. Franken investiert > 1 Franken löste 7 aus 39 Projekte: 30 Holz 6 KVA 3 Wärmepumpen 282 GWh/a erneuerbare 75'000 t CO 2 pro Jahr Förderung = 154 Fr./MWh a auf 20 Jahre = 0.77 Rp./kWh [Thiemann & Nussbaumer 2012]

7 Motivation Pros der Fernwärme (mit Holz) 1. Abwärme und EE nutzbar 2. hoher Komfort 2. für Energieholz: grosse Wärmeerzeuger = Automatisierung Emissionen Brennstoffbreite Cons der Fernwärme 1. zusätzliche Investition für Netz 2. Wärmeverteilverluste > Effizienz und Wirtschaftlichkeit 3. Kosten & Verluste sind sensitiv auf a) Auslegung: Anschlussdichte, D,.. b) Netzbetrieb: Temperatur,... Wärme-Kraft-Kopplung

8 Ziel Sensitivitätsanalyse der Einflüsse von Auslegungsparametern (D, x D, AD) und Betriebsparametern (T, ΔT) auf die Effizienz und Wirtschaftlichkeit

9 1. Einleitung und Zielsetzung 2. Vorgehen 3. Annahmen 4. Resultate 4.1 Wärmeverteilverluste 4.2 Wirtschaftlichkeit 5. Schlussfolgerungen

10 Berechnung 1. Wärmeverteilverluste - Trasselänge, Anschlussleistung, Rohrdurchmesser - Wärmedurchgang (U-Wert) = f(wärmedämmung) W / (m 2 K) - ΔT Netz/Boden K - Betriebszeit Netz h/a - Vollbetriebsstunden Wärmeabnehmer h/a Bezugsgrösse = vom Netz abgegebene Wärme

11 Berechnung 2. Hilfsenergieverbrauch für Pumpleistung - Druckverlust - Rohrreibungsbeiwert - Pumpen-Kennlinie

12 Berechnung 3. Wirtschaftlichkeit mit Annuitätenmethode 1. Kapitalkosten = Investition x Annuität Richtwerte für Kunststoffverbundmantelrohre (KMR) in offenem Gelände 2. Betriebskosten Wärmeverteilkosten = Brennstoffkosten für Verluste Stromkosten für Netzpumpe Wartung und Unterhalt: vernachlässigt

13 1. Einleitung und Zielsetzung 2. Vorgehen 3. Annahmen 3.1 Parameter für Kostenrechnung 3.2 Netzauslegung 3.3 Modell-Fernwärmenetz

14 Reference case Holzpreis 5 Rp. / kwh = = Wirkungsgrad 0.83

15 1. Einleitung und Zielsetzung 2. Vorgehen 3. Annahmen 3.1 Parameter für Kostenrechnung 3.2 Netzauslegung 3.3 Modell-Fernwärmenetz

16 5 Maximale Strömungsgeschwindigkeit zur Vermeidung erhöhter Geräuschentwicklung ÖKL Merkblatt 67 ÖKL 67 Hausanschlüsse Fliessgeschwindigkeit [m/s] Durchmesser [mm] 300 Pa/m Isoplus Maximum 200 Pa/m Schweden DHA 100 Pa/m Isoplus Minimum 100 Pa/m, 200 Pa/m, 300 Pa/m: Eigene Berechnungen Isoplus, Swedish DHA: [Frederiksen, S.; Werner, S.: District Heating and Cooling, Lund 2013] ÖKL-Merkblatt Nr. 67: [Österreichisches Kuratorium für Landtechnik und Landentwicklung, 1999]

17 1. Einleitung und Zielsetzung 2. Vorgehen 3. Annahmen 3.1 Parameter für Kostenrechnung 3.2 Netzauslegung 3.3 Modell-Fernwärmenetz

18 Definitionen Referenz- Modell reales Beispiel 1 reales Beispiel 2 reales Beispiel 3 Anzahl Wärmeabnehmer Anschlussleistung Q MW Trasselänge = 0.5 (Vorlauf l V + Rücklauf l R ) m Anzahl der Hauptstränge n Vollbetriebsstunden τ h/a Anschlussdichte MWh/(m a) MW 100 m 0.5 MW 100 m 0.5 MW 100 m 1 Wärme- zentrale 2 Wärme- kunden 500 m 1 MW 4 MW 1 MW 0.6 MW 0.4 MW 500 m 1000 m 1000 m 1000 m 100 m 0.5 MW 100 m 0.5 MW 100 m 0.5 MW 100 m 2 MW 1000 m 0.5 MW 100 m 100 m 100 m 0.5 MW 100 m 0.5 MW 100 m

19 Definitionen Referenz- Modell reales Beispiel 1 reales Beispiel 2 reales Beispiel 3 Anzahl Wärmeabnehmer Anschlussleistung Q MW Trasselänge = 0.5 (Vorlauf l V + Rücklauf l R ) m Anzahl der Hauptstränge n Vollbetriebsstunden τ h/a Anschlussdichte MWh/(m a) MW 100 m 0.5 MW 100 m 0.5 MW 100 m 500 m 1 MW 4 MW 1 MW 0.6 MW 0.4 MW 500 m 1000 m 1000 m 1000 m 100 m 0.5 MW 100 m 0.5 MW 100 m 0.5 MW 100 m 2 MW 1000 m 0.5 MW 100 m 100 m 100 m 0.5 MW 100 m 0.5 MW 100 m

20 Definitionen Referenz- Modell reales Beispiel 1 reales Beispiel 2 reales Beispiel 3 Anzahl Wärmeabnehmer Anschlussleistung Q MW Trasselänge = 0.5 (Vorlauf l V + Rücklauf l R ) m Anzahl der Hauptstränge n Vollbetriebsstunden τ h/a Anschlussdichte MWh/(m a) MW 100 m 0.5 MW 100 m 0.5 MW 100 m 500 m 1 MW 4 MW 1 MW 0.6 MW 0.4 MW 500 m 1000 m 1000 m 1000 m 100 m 0.5 MW 100 m 0.5 MW 100 m 0.5 MW 100 m 2 MW 1000 m 0.5 MW 100 m 100 m 100 m 0.5 MW 100 m 0.5 MW 100 m

21 Definitionen Referenz- Modell reales Beispiel 1 reales Beispiel 2 reales Beispiel 3 Anzahl Wärmeabnehmer Anschlussleistung Q MW Trasselänge = 0.5 (Vorlauf l V + Rücklauf l R ) m Anzahl der Hauptstränge n Vollbetriebsstunden τ h/a Anschlussdichte MWh/m a MW 100 m 0.5 MW 100 m 0.5 MW 100 m 500 m 500 m 1 MW 1000 m 4 MW 1000 m 1 MW 1000 m 1 MW 0.4 MW 100 m 0.5 MW 100 m 0.5 MW 100 m 0.5 MW 100 m 2 MW 1000 m 0.5 MW 100 m Referenz-Modell = simples Netz, aber Worst-case 100 m 100 m 0.5 MW 0.5 MW da der gesamte Wärmeverbrauch 100 m in maximaler 100 m Entfernung auftritt. *Druckverluste durch Rohreinbauten und Abzweigungen spielen eine

22 1. Einleitung und Zielsetzung 2. Vorgehen 3. Annahmen 4. Resultate 4.1 Wärmeverteilverluste 4.2 Wirtschaftlichkeit 5. Schlussfolgerungen

23 Einfluss der Dämmstärke Mindest-Durchmesser! KMR

24 Einfluss der Dämmstärke! Dämmstärke 2 entspricht Dämmstärke 3 mit +2 DN

25 Einfluss der Temperaturspreizung ΔT ΔT = 30 K statt 15 K ergibt 1 DN

26 Einfluss der Vollbetriebsstunden = Einfluss der Anschlussdichte bei konstanter Trasselänge und Anschlussleistung Verluste sind umgekehrt proportional zu Vollbetriebsstunden

27 Einfluss der Anschlussleistung = Einfluss der Anschlussdichte bei konstanter Trasselänge und Vollbetriebsstunden Erhöhte Anschlussleistung verändert AD und DN

28 1. Einleitung und Zielsetzung 2. Vorgehen 3. Annahmen 4. Resultate 4.1 Wärmeverteilverluste 4.2 Wirtschaftlichkeit 5. Schlussfolgerungen

29 Wärmeverteilkosten für den Referenz-Fall Rp./kWh! 6! C /kwh 4 5! Gesamtkosten! Bereich opt. Fliessgeschwindigkeit! Jährliche Stromkosten Pumpe! Kapitalkosten Rohre! Wärmeverlust Kosten! 3 4! 2 3! ! 1 1! 0 0! 20! 40! 60! 80! 100! 120! DN! 140! 160! 180! 200! 1. Kapitalkosten von 2.61 Rp./kWh dominieren mit 62% 2. Kosten-Minimum = Mindest-Durchmesser!

30 Wärmeverteilkosten für den Referenz-Fall Rp./kWh! 6! C /kwh 4 5! unzulässige Fliessgeschwindigkeit Gesamtkosten! Bereich opt. Fliessgeschwindigkeit! Jährliche Stromkosten Pumpe! Kapitalkosten Rohre! Wärmeverlust - Kosten! 3 4! 2 3! ! 1 1! 0 0! 20! 40! 60! 80! 100! 120! DN! 140! 160! 180! 200! 1. Kapitalkosten von 2.61 Rp./kWh dominieren mit 62% 2. Kosten-Minimum = Mindest-Durchmesser!

31 Einfluss der Kapitalbedingungen Rp./kWh! C /kwh 4 6! 5! 4! ! ! 1 0 6% p.a. / 30a! 1! 3% p.a. / 30a! 0% p.a. / 30a! 0! 20! 40! 60! 80! 100! 120! 140! 160! 180! 200! DN!

32 Einfluss des Brennstoffpreises und der Dämmstärke C /kwh

33 Einfluss der Vorlauftemperatur bei konstanter Temperaturspreizung von 30 C Rp./kWh! C /kwh 4 6! 5! 3 4! ! 2! 1! 0! 20! 40! 60! 80! 100! 120! 140! 160! 180! 200! DN! 100 C! 80 C! 60 C! 40 C!

34 Einfluss der Temperaturspreizung bei konstanter Vorlauftemperatur von 80 C Rp./kWh! 6! C /kwh 4 5! ! 3! ! 15 K! 1 30 K! 1! 45 K! 60 K! 0 0! 20! 40! 60! 80! 100! 120! 140! 160! 180! 200! DN! Erhöhte Temperaturspreizung erlaubt den Einsatz von kleineren Nennweiten ΔT = 30 K statt 15 K reduziert die Kosten um 35%

35 Einfluss des Strompreises Rp./kWh! 6! C /kwh 4 5! ! 3! 2! 1! 40 Rp./kWh! 20 Rp./kWh! 10 Rp./kWh! 0! 20! 40! 60! 80! 100! 120! 140! 160! 180! 200! DN! bei überdimensioniertem Rohrdurchmessern ist der Strompreis-Einfluss gering beim optimalen Rohrdurchmesser: Verdopplung auf 40 Rp./kWh erhöht die Kosten um 13% Kosten für kleinsten und zweitkleinsten Durchmesser identisch

36 Einfluss der Anschlussleistung = Einfluss der Anschlussdichte bei kontanter Trasselänge und Vollbetriebsstunden C /kwh 4 Rp./kWh! 6! 5! ! ! ! MW = 1 MWh/(a m)! 1! 1 MW = 2 MWh/(a m)! 2 MW = 4 MWh/(a m)! 0! 20! 40! 60! 80! 100! 120! 140! 160! 180! 200! DN! höhere Anschlussleistung bei konstanter Trasselängeerhöht erhöht die Anschlussdichte Verdopplung von 1 MW auf 2 MW reduziert die Kosten um 34% Rp./kWh! Halbierung von 1 MW auf 0.5 MW erhöht die Kosten um 64%

37 Einfluss der Anlagengrösse = Einfluss der Anschlussdichte bei kontanter Trasselänge von und Anschlussleistung C /kwh Rp./kWh! 10! 8! 6! 4! ! 1000 m und 1 MW DN! 2000 m und 2 MW 1 MWh/(a m)! 1 MWh/(a m)! 2 MWh/(a m)! 2 MWh/(a m)! 4 MWh/(a m)! 4 MWh/(a m)! 0! 20! 40! 60! 80! 100! 120! 140! 160! 180! 200! DN! kein Economy of scale beim Netz, aber beim Wärmeerzeuger > Optimierung des Gesamtsystems

38 1. Einleitung und Zielsetzung 2. Vorgehen 3. Annahmen 4. Resultate 4.1 Wärmeverteilverluste 4.2 Wirtschaftlichkeit 5. Schlussfolgerungen

39 1/4 Methodik 1. Wichtige externe Einflussfaktoren der Wärmeverteilkosten sind: Annuität Brennstoffpreis und ( Strompreis). 2. Auslegungsgrössen wie Durchmesser, ΔT und Dämmstärke beeinflussen verschiedene Kostenfaktoren gleichzeitig und nicht-linear. > es ist deshalb nicht möglich das optimale Fernwärmenetz durch mathematische Optimierung zu bestimmen. Dagegen kann aus einem Variantenvergleich die beste eruiert werden, wozu eine Sensitivitätsanalyse dient.

40 2/4 Wärmeverteilkosten 1. Für eine Anschlussdichte von 2 MWh/(m a) mit 1 MW, 1000 m, 2000 h/a Wärme, 8760 h/a Netz mit KMR Brennstoffpreis 5 Rp./kWh, Strom 20 Rp./kWh und a = 5.1%/a verursacht ein optimales Netz Kosten von rund 2.6 Rp. pro kwh verteilte Wärme 2. Mit 62% Anteil sind die Kapitalkosten entscheidend Die Brennstoffkosten machen 25%, die Stromkosten 13% aus

41 3/4 Netzauslegung 1. Mit kleinerem Rohrquerschnitt steigen Druckverlust, Pumpleistung und Stromkosten zwar quadratisch an, die Stromkosten werden aber im nie relevant für die Wahl des Durchmessers, sondern es gilt: Mindest-Durchmesser = optimaler Durchmesser im Beispiel gilt: 1 Durchmesser grösser = 9 % teurer 2 Durchmesser grösser = 30 % teurer

42 4/4 Sensitivität Daneben sind entscheidend: 1. eine grosse Temperaturspreizung (um kleine Rohre zu ermöglichen) 2. eine hohe Anschlussdichte und somit: bei gegebenem Netz eine hohe Anschlussleistung und lange Vollbetriebszeit von Verbraucher und Wärmeerzeugung

43 Verdankung Bundesamt für Energie, Bern International Energy Agency, IEA Bioenergy Task 32

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