Effizienz von Nahwärmenetzen im ländlichen Raum Ergebnisse verschiedener Studien

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1 Effizienz von Nahwärmenetzen im ländlichen Raum Fachtagung Nahwärme kompakt, , Stuttgart Dipl.-Ing. Christian Neumann Energieagentur Regio Freiburg GmbH

2 Inhalte Effizienz von Wärmenetzen Effizienz von Wärmenetzen Bedeutung und Zielwerte Einflussfaktoren Schlussfolgerungen

3 Bedeutung / Zielwerte Effizienz von Wärmenetzen Quelle: Planungshandbuch QM Holzheizwerke, Arbeitsgemeinschaft QM Holzheizwerke, 2004 Effizienz entscheidend für Wirtschaftlichkeit / Nachhaltigkeit Zielwert für Verluste: 10%; Zielwert Anschlussdichte 0,8-1,8 MWh/ma

4 Einflussfaktoren Effizienz von Wärmenetzen Quelle: Echtle, Nordrach Anschlussdichte Möglichst hoch Art des Rohrmaterials Single / Duo Stärke der Dämmung Mitteltemperatur / Temperaturspreizung Möglichst niedrige Mitteltemperatur möglichst hohe Spreizung/niedrige Rücklauftemperatur Absenkbetrieb Dimension der Rohrleitungen Möglichst kleine Dimensionen möglichst hohe Temperaturspreizung dezentrale Spitzenlasterzeuger Betriebszeiten

5 Beispielrechnung für Verluste Effizienz von Wärmenetzen Beispielrechnung: Verlustwert einer Leitung mit DN 80, bei 1 MW, 30K Spreizung, Tm=55K 30 Verlustwert / [W/m] % 27% 41% Nur bei reduzierter Leistung, z.b. durch dez. Spitzenlast 45% x single DN 80 2 x single, verstärkte Dämmung DN 80 Duo DN 80 Rohrmaterial Duo, verstärkte Dämmung DN 80 Duo, verstärkte Dämmung, DN 65

6 Übersicht CARMEN 2009 Erfolgsfaktoren für Bioenergieanlagen mit Nahwärmenetz Jährliche Berichte der Betreiber von geförderten Biomasseheizwerken in Bayern für 7 bzw. 12 Jahre 377 Anlagen Energieagentur Regio Freiburg 2013 Bioenergiedörfer Evaluation von Struktur und Effizienz Auswertung geförderten Bioenergiedörfern in Baden Württemberg 20 Anlagen (von 50) ARGE Fernwärme, Schweiz, 2013 Analyse und Optimierung von Fernwärmenetzen Umfrage bei Contractoren, Betreibern und Planern 52 Anlagen (von über 700)

7 CARMEN 2009 Datenbasis: Heizwerke mit Wärmenetz > 200 m und mehr als 2 Hausübergabestationen; n = 377 Quelle: Erfolgsfaktoren für Bioenergieanlagen mit Nahwärmenetz, 18. Symposium BIOENERGIE, Leuchtweis, CARMEN, 2009

8 Energieagentur Regio Freiburg 2013 Basierend auf Liste UM (50 Dörfer) 20 Bioenergiedörfer konnten für Evaluation generiert werden.

9 Energieagentur Regio Freiburg Auswahl der Projekte 2. Dokumentation der Struktur- und Betriebsdaten Inhalte: Organisation, Technik, Kosten/Finanzierung/Wirtschaftlichkeit, Erfolge/Probleme im Betrieb Vorgehen: Fragebogen, Vor-Ort-Termine / Interviews 3. Auswertung der Betriebsdaten Jahresdaten zu Energie- / Kostenströme Für einzelne Projekte: Auswertung Netzbetrieb auf Basis Stundendaten 4. Bericht und Präsentation

10 Energieagentur Regio Freiburg 2013 Bezeichnung Bioenergiedorf Biogasanlage mit Biogas BHKW Holzfeuergungskessel mit ORC Pflanzenöl- BHKW oder Kessel Technik Netz Organisationsform Nahwärmenetz Windkraftanlagen Photovoltaik Wasserkraft Solarthermie Mikrogasleitung Spalte2 Länge (km) Wärme-abnehmer Endausbau Anzahl Wärmebelegungs dichte (MWh/(m*a) Spalte1 Erdbach Freiamt k.a. Rot am See/Buch Lautenbach Lampertsweiler Siebeneich Nordrach Lippertsreute Mauenheim Meßkirch- Nordstadt Schlatt am Randen Berkheim Weiterdingen Renquishausen Oberopfingen Hochdorf Randegg Möggingen Pfalzgrafenweiler St. Peter Genossenschaft GbR Contractor (AG) Gemeinde Einzelunternehme r KG Gmbh

11 Energieagentur Regio Freiburg 2013 Gesamtes Projekt (inclusive der Finanzierung und des Betriebes der Energieerzeugungsanlage) aus alleiniger Initiative der Bürger Entscheidung für die Investition in eine Energieerzeugungsanlage aufgrund vorhandener Wärmenachfrage Entscheidung für die Investition in eine (größere) Energieerzeugungsanlage aufgrund eines Initiators, der Kunden von Anschlussvorteilen überzeugte Idee der Nahwärmenutzung entwickelte sich zeitgleich mit Planungen von Biogasanlage KWK-Anlage ohne (ausreichendes) Wärmenutzungskonzept war vorhanden Anzahl Projekte

12 Energieagentur Regio Freiburg 2013 Quelle: Bioenergiedörfer Evaluation von Struktur und Effizienz, Energieagentur Regio Freiburg, 2013 Wärmeverteilungsverluste in % der eingespeisten Wärme 30% 20% 10% Projekte mit dezentralen Spitzelasterzeugern / klein dimensioniertem Netz 0% Wärmebelegungsdichte in MWh/(m*a) Untersuche Dörfer Regressionsfunktion CARMEN basierend auf 377 untersuchten Nahwärmenetzen Empfehlungswert von 1,5MWh/(m*a) Faustwert 25 W/m Netze mit niedrigen Wärmebelegungsdich ten Großteil im Bereich/unterhalb der erwartungswerte nach CARMEN

13 Energieagentur Regio Freiburg 2013 Analyse von zeitlich höher aufgelöste Daten zum Betrieb Heizzentrale / Netz Wärmeerzeuger Art und Leistung Projekt 1 Projekt 2 Projekt 3 1 Biogas BHKW (250 kw el, 324 kw th ) mit Notkühler für Sommerbetrieb 1 Holzhackschnitzelkessel (1.200 kw th ) 1 Ölkessel (1.000 kw th ) 2 Holzhackschnitzelkessel (2.000 kw th ) 1 Holzpelletskessel (700 kw th ) dezentral aufgestellt 1 Holzhackschnitzelkessel (1.500 kw th ) (1 Holvergaser BHKW) 1 Ölkessel (2.700 kw th, dezentral als Spitzenlastkessel für Großverbraucher, 4% Anteil der Wärmedeckung) Wärmenetz Länge (Trassenmeter) m m m Hauptdimension 125 mm 150 mm 150 mm Anzahl der Anschlussnehmer ca. 140 ca. 150 ca. 170 Rohrmaterial Stahl Duorohr (Logstore) Kunststoff (Rehau (bis DN 50 Duo; >DN50 Uno) Stahl Duorohr (Isoplus) mit verstärkter Isolierung Hausübergabestationen Indirekt ohne Speicher Indirekt ohne Speicher Indirekt ohne Speicher Vorlauftemperatur und Spreizung im Auslegungsfall 80/30 85/30 100/40 Regelung Vorlauftemperatur wird gleitend nach Außentemperatur gefahren Drehzahlgeregelte Netzpumpe (Schlechtpunktregelung) Vorlauftemperatur wird gleitend nach Außentemperatur gefahren Nachtabsenkung der Vorlauftemperatur Drehzahlgeregelte Netzpumpe (Schlechtpunktregelung) Vorlauftemperatur wird gleitend nach Außentemperatur gefahren Drehzahlgeregelte Netzpumpe (Schlechtpunktregelung) Investitionskosten 2 Mio Euro (625 /m) 3,5 Mio Euro (555 /m) 2,5 Mio Euro (270 /m)

14 Energieagentur Regio Freiburg 2013 Projekt 1 Projekt 2 Projekt 3 Messzeitraum 2011 / Halbjahr Erzeugte Wärmemenge (Einspeisung in Netz) MWh / Verkaufte Wärmemengen MWh / ) Netzverluste MWh 490 / Netzverluste bezogen auf die verkaufte Wärmemenge 18,5% / 21% 35% 14% Wärmebelegungsdichte kwh/ma 825 / ) 800 1) Wert für 2012 wurde vom Betreiber hochgerechnet 2) Unter Berücksichtigung der Hochrechnung der verkauften Wärmemenge auf gesamtes Jahr

15 Energieagentur Regio Freiburg 2013 Quelle: Bioenergiedörfer Evaluation von Struktur und Effizienz, Energieagentur Regio Freiburg, 2013

16 Energieagentur Regio Freiburg 2013 Energie / [MWh] Projekt 1 Jan. 12 Feb. 12 Mrz. 12 Apr. 12 Mai. 12 Jun. 12 Jul. 12 Aug. 12 Sep. 12 Okt. 12 Nov. 12 Dez. 12 BHKW MWh Kessel MWh Notkühler MWh Einspeisung Netz MWh Wärmeverluste Zentrale (Puffer+ Notkühler) MWh Wärmeverluste Zentrale (nur Puffer) Verluste Netz (Mittelwert) MWh 70% Wärme über BHKW 80% Wärme BHKW werden genutzt. Sommer: 50-60% Wärme über Notkühler Netzverluste im Sommer bis zu 55% der eingespeisten Energiemenge. Wärmeverluste Zentrale vernachlässigbar

17 Energieagentur Regio Freiburg 2013 Energie / [MWh] Projekt 3 Mai 12 Jun 12 Jul 12 Aug 12 Sep 12 Okt 12 Nov 12 Dez 12 Jan 13 Feb 13 Mrz 13 90% Wärme über Holzkessel Netzverluste im Sommer bis zu 40% der eingespeisten Energiemenge. Holzkessel MWh Ölkessel MWh Verluste Netz (Mittelwert) MWh

18 Energieagentur Regio Freiburg 2013 Projekt 1 Projekt 3

19 ARGE Fernwärme, Schweiz 2013 Quelle: ANALYSE UND OPTIMIERUNG VON FERNWÄRMENETZEN, Bundesamt für Energie, Schweiz, % der Netze erfüllen den Zielwert Netzverlusten 40% der Netze erfüllen den Zielwert der Anschlussdichte Knapp ein Drittel aller Anlagen erfüllt beide Zielwerte Netze mit geringer Anschlussdichte liegen mit Ihren Verlusten eher im Bereich der QM Erwartungswerte

20 ARGE Fernwärme, Schweiz 2013 Untersuchung Optimierungsmöglichkeiten bei bestehenden Netzen Quelle: ANALYSE UND OPTIMIERUNG VON FERNWÄRMENETZEN, Bundesamt für Energie, Schweiz, 2013

21 ARGE Fernwärme, Schweiz 2013 Quelle: ANALYSE UND OPTIMIERUNG VON FERNWÄRMENETZEN, Bundesamt für Energie, Schweiz, 2013 Untersuchung Optimierungsmöglichkeiten bei bestehenden Netzen Rohrdurchmesser und damit die Wärmeverteilkapazitäten bei 80% der Teilstränge überdimensioniert (z.t. bis zu 3-4 Dimensionen) Große (vergebene) Einsparpotenziale bei Kosten und Wärmeverlust

22 Schlussfolgerungen Effizienz von Wärmenetzen Quelle: Echtle, Nordrach Alle Studien zeigen große Streuung der Verlustwerte von Netzen gleicher Wärmebelegungsdichte Wärmebelegungsdichte als alleinige Bewertungsgröße nicht ausreichend Netzstruktur (Dimension, Rohrart, Rohrdämmung) und Betrieb entscheidende Größen Große Optimierungspotenziale bei bestehenden Anlagen ABER: Auch bei niedrigen Wärmebelegungsdichten ( kwh/ma) Wärmeverluste im Bereich von % möglich (und damit niedriger als theoretische oder statistische Vergleichswerte) Voraussetzung hochwertiges Duorohr mit verstärkter Dämmung Sorgfältige Planung, Umsetzung und Betrieb (Hohe Temperaturspreizung /niedrige Rücklauftemperatur, möglichst kleine Rohrdimensionen, wo sinnvoll: dezentrale Spitzenlasterzeuger)

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