Solare Nah- und Fernwärme; Stand der Technik und aktuelle Entwicklungen in Europa

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1 Solare Nah- und Fernwärme; Stand der Technik und aktuelle Entwicklungen in Europa Dipl.-Ing. Dirk Mangold Vortrag bei der ABGnova GmbH/ Umweltforum Rhein Main e.v am Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme Nobelstr. 15 D Stuttgart

2 Solar City Neckarsulm-Amorbach (5.500 m², ca. 3,9 MW) Erste Evaluierungsergebnisse des Marktanreizprogramms für solarthermische Großanlagen Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme Nobelstr. 15 D Stuttgart

3 Solare Nah- und Fernwärme Kurze Einführung Techniken großer Kollektorfelder Saisonale Wärmespeicher Anwendungen und Beispiele Wirtschaftlichkeit

4 Solites - Forschungsinstitut der Steinbeis Stiftung Steinbeis Stiftung für Wirtschaftsförderung Deutschlands größtes Technologietransferunternehmen Zentrale in Stuttgart Jahresumsatz 2009: über 100 Mio Solites als Teil des Steinbeis Unternehmensverbundes Gegründet 2005 von zwei ehemaligen Wissenschaftlern des Instituts für Thermodynamik und Wärmetechnik der Universität Stuttgart 2010: 9 Wissenschaftler/innen, insgesamt 15 Mitarbeiter Forschung, Entwicklung und Beratung z. Bsp. für EU DG Tren, BMU, BMFT, Wirtschaftsministerium Ba-Wü, Landwirtschaftsministerium Ba-Wü, Stadt München, Stadtwerke Crailsheim, Saga GWG AG, Marstal Fjernwarme, Foster and Partners, Bauträger, Planungsbüros, Unternehmen, Industrieverbände, Forschungseinrichtungen

5 Solare und zukunftsfähige Energieeinsparung Energieeffizienz Erneuerbare Energien Solarthermie Geothermie Biomasse Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung Abwärmenutzung in großen Systemen!

6 Energieverbrauch in Deutschland Energieverbrauch der privaten Haushalte Primärenergieverbrauch 2007 Individualverkehr 32% Erdgas 22% Mineralöl 34% Beleuchtung 1% Elektrogeräte 8% Warmwasser 8% Raumwärme 51% Steinkohle 14% Kernenergie 11% Anteil EE 7% Braunkohle 12% Quelle: destatis, UBA, Zahlen für 2004, temp.-bereinigt Quelle: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit

7 Regenerative Energie-Direktive der EU Historische Beschlüsse des Europäischen Rates vom März 2007: Bis 2020 Treibhausgase um mind. 20 % gegenüber 1990 reduzieren; (wenn andere Länder vergleichbare Anstrengungen unternehmen: 30 %) Energieeffizienz um 20 % gegenüber dem Trend steigern Anteil der Erneuerbaren am Energieverbrauch von 20 % (2007: knapp 7 %) verbindliches Ziel Beitrag des bundesdeutschen Wohnungsbaus zur CO 2 -Emissionsminderung: Primärenergieverbrauch von 1970 bis 2007 pro Person: + 3 % Folge: EEWG, EnEV 2009, EnEV 2012,

8 Solare Nah- und Fernwärme Kurze Einführung Techniken großer Kollektorfelder Saisonale Wärmespeicher Anwendungen und Beispiele Wirtschaftlichkeit

9 Marktsituation großer Solarthermieanlagen Ende 2009 Solarsystem Installierte Kollektorfläche Solarer Deckungsanteil am jährlichen Gesamtwärmebedarf Gesamte installierte ~ 10,6 Mio m² Kollektorfläche a) ~ MW Solaranlagen mit 20 bis 100 m² ~ m² Bruttokollektorfläche in MFH mit mind. 3 WE b) ~ 420 MW Solaranlagen mit mind. 100 m² bis m² Kollektorfläche nach VDI 6002 c) 12,6 bis 15,4 MW Pilotanlagen der solaren Nahwärme mit saisonalem Wärmespeicher (bis m² Kollektorfläche, 11 Anlagen) d) m² 18,9 MW ~ 4 bis über 50 % 4 bis 15 % 4 bis 8 % 30 bis 50 % a): BDH und BSW, b): Schätzung Solites und BDH, c): ZFS Rationelle Energietechnik GmbH, d): Solites (MFH: Mehrfamilienhaus, WE: Wohneinheit)

10 Aufständerung auf Flachdach Quelle: Ambiente Italia Quelle: Solites

11 Vakuumröhren-Kollektorfeld in Schwäbisch-Gmünd 1995

12 Ausführung großer dachintegrierter Kollektorfelder Großkollektoren Solardach

13 Ein- und Mehrspeichersysteme

14 Ein- und Mehrspeichersysteme

15 Crailsheim: Neues Investorprojekt:

16 Fassadenmontage von Kollektoren Quelle: AEE

17 Bodenaufständerung von Solarkollektoren in Marstal, DK ( m 2 )

18 Solar unterstützte Nahwärme in Neckarsulm-Amorbach m 2 Kollektorfläche 20 m 3 Pufferspeicher solarer Deckungsanteil am Gesamtwärmebedarf ca. 10% 2-Leiter-Nahwärmenetz für 330 Wohnungen ZK Trinkwasserspeicher Pufferspeicher Heizkessel Wärmeübergabestation Trink- wasser- Speicher Heizzentrale Kaltwasser Nahwärmenetz Kaltwasser

19 Bestehende Normen und Richtlinien Solarthermische Anlagen in EFH/ZFH: DIN EN : Produktnormen Solarthermische Anlagen in MFH: VDI 6002: < 10 % des Marktes Alle Solaranlagen: RAL GZ 966: RAL Gütezeichen Solarenergieanlagen 2010: VDI 2169 Gründruck: Funktions- und Ertragskontrolle an solarthermischen Solaranlagen

20 Solare Nah- und Fernwärme Kurze Einführung Techniken großer Kollektorfelder Saisonale Wärmespeicher Anwendungen und Beispiele Wirtschaftlichkeit

21 Solare Deckungsanteile von Solarthermie im Wohnungsbau Wärmebedarf solarer Deckungsanteil: ca. 3% ca. 7% ca % ca. 50% Wärmemenge Solare Einstrahlung (relativ) Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez VDI 6002 im Sommer 100 % solar Kombianlage mit saisonalem Wärmespeicher

22 Solare Nahwärme mit saisonalem Wärmespeicher 100 % 50 % CO 2 -Emission

23 Langzeit-Wärmespeicher sind groß! Jährliche Wärmeverluste / max. Wärmemenge im Speicher l l m³ A: Oberfläche = 2,9 m² V: Volumen = 0,35 m³ A/V = 8,27 m m³

24 Langzeit-Wärmespeicher sind groß! l m³ Jährliche Wärmeverluste / max. Wärmemenge im Speicher m³

25 Typologie der Langzeit-Wärmespeicher Heißwasser-Wärmespeicher (60 bis 80 kwh/m³) Erdbecken-Wärmespeicher (60 bis 80 kwh/m³) Erdsonden-Wärmespeicher (15 bis 30 kwh/m³) Aquifer-Wärmespeicher (30 bis 40 kwh/m³)

26 Arbeitskreis Langzeit-Wärmespeicher Wirtschaftlich-technische Programmbegleitung Forschungspartner IGS, Uni Braunschweig ITW, Uni Stuttgart ZAE Bayern, Garching Ing.-büro Lichtenfels, Keltern PKi, Stuttgart Eon Hanse Wärme GmbH HGC GmbH, Hamburg Züblin Spezialtiefbau GmbH, Stgt. AK Langzeit-Wärmespeicher ILEK, Uni Stuttgart Thermo- und Fluiddynamik, TU Ilmenau TT, TU Chemnitz ISFH, Hameln EGS-Plan, Stuttgart GTN, Neubrandenburg Fsave, Kassel

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28 Investitionskosten von Langzeit-Wärmespeichern Investitionskosten je m³ Wasseräquivalent [ /m³] Ilmenau Rottweil (HW-GfK) Crailsheim(HW) Steinfurt Chemnitz Neckarsulm (1. Ausbau) München Rostock Friedrichshafen (HW) Crailsheim gebaut Studie Heißwasser (HW) Kies-Wasser (KW) Erdwärmesonden Aquifer Geldwertkorrektur Hannover Kettmannhausen (HW-GfK) Hamburg (HW-HLB) Bielefeld Eggenstein Berlin- Biesdorf ,000 10, ,000 Speichervolumen in m³ Wasseräquivalent [m³]

29 Solare Nah- und Fernwärme Kurze Einführung Techniken großer Kollektorfelder Saisonale Wärmespeicher Anwendungen und Beispiele Wirtschaftlichkeit

30 München Ackermannbogen 2007 Betriebsbeginn: m² Wohnfläche (2.300 MWh/a) m² Solarkollektoren m³ Behälter-Wärmespeicher Solarer Deckungsanteil: 47 %* *Simulationsergebnisse ZAE Bayern

31 Speicherbau in München Ackermannbogen 2007

32 Crailsheim Hirtenwiesen 2, f Wohngebiet Hirtenwiesen I Wohngebiet Hirtenwiesen II 2. BA Solarnetz Wärmenetz Heizzentrale an Nahwärme LM-Gymnasium Wohngebiet Hirtenwiesen II 1. BA Hirtenwiesenhalle 100 m³ WP Heizzentrale mit Wärmepumpe 480 m³ Erdsonden- Wärmespeicher Kollektoren auf dem Lärmschutzwall Versorgungsgebiet: Wärmebedarf: MWh/Jahr Kollektorfläche: m² (Apertur) Pufferspeicher: m³ (Wasser) 260 Wohnungen, Schule, Sporthalle etc. Erdsonden-Wärmespeicher: m³ Solarer Deckungsanteil: 50 % (simuliert)

33 Crailsheim Hirtenwiesen 2, f (Source: Stadtwerke Crailsheim)

34 Crailsheim: Neue Bauweise für Pufferspeicher (100 m³) aus Betonfertigteilen Betrieb auf 3 bar Druck und 108 C Maximaltemperatur

35 Erdsonden-Wärmespeicher in Crailsheim, 2008

36 ProSTO Beispielhafte Umsetzung von Solarverordnungen Ziele: Demonstration einer effizienten Umsetzung von Solarverordnungen in fünf europäischen Städten Verbreitung der Ergebnisse und Bereitstellung von Instrumenten ProSTO Partnerkonsortium Deutsche Partner: Stadt Stuttgart, Amt für Umweltschutz Solites für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme Laufzeit: Jan Dez. 2010

37 ProSTO: Stuttgarter Initiative Solarthermie im MFH-Sektor ZIEL: Förderung der Nutzung von Solarthermie im Mehrfamilienhausbestand (Kategorie 3 12 Wohneinheiten) Besonderheiten der Stuttgarter Initiative: gemeinsam mit den relevanten lokalen Akteuren einen Schritt weiter gehen: konkrete gemeinsame Umsetzung Kommunikation und Verbreitung der Erfahrungen Partner: Stadt Stuttgart, Amt für Umweltschutz Energieberatungszentrum Stuttgart e.v. Innung Sanitär und Heizung Stuttgart Haus & Grund Stuttgart Solarthermie-Hersteller Solites

38 > 30 Solar heating and cooling plants > 1 MWth

39 > 120 Solar heating and cooling plants > 500 m² / 350 kwth

40 EU-Initiative: SDHTake-Off: Solar District Heating Take-Off Europäische Ebene Euroheat & Power, CIT EnergyManagement 5 nationale Tandems: Fernwärmeverband + Consultant DE: AGFW + Solites (Koordinator) AT: Energie Graz + Solid DK: Marstall District Heating + PlanEnergi IT: AIRU + Ambiente Italia CZ: TSCR + Cityplan Industrievertreter des Fernwärme- und Solarsektors Förderung durch EU (IEE) und BMU

41 Project Website :

42 Pilotprojekt Braedstrup Fjernwarme, DK

43 Pilotprojekt Braedstrup Fjernwarme, DK

44 Solare Nah- und Fernwärme Kurze Einführung Techniken großer Kollektorfelder Saisonale Wärmespeicher Anwendungen und Beispiele Wirtschaftlichkeit

45 Systemkostenvergleich von solarthermischen Systemen Kostenbasis ,50 0,45 Systemkosten [ / m²fk] ,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 solare Nutzwärmekosten [ /kwh] 0 Kleinanlage TW KF < 10 m² fsol ~ 7-15% Kleinanlage Kombi KF < 20 m² fsol ~ 12-20% Großanlage TW KF > 100 m² fsol ~ 3-10% Großanlage Kombi KF ~ 200 m² fsol ~ 15-20% SuN KF ~ 5000 m² fsol ~ 50% 0,00 TW: Trinkwasser, KF: Kollektorfläche; fsol: solare Deckung; SuN: Solare Nahwärme mit saisonalem Wärmespeicher

46 Zusammenhang von Dimensionierung und Wirtschaftlichkeit solarer Deckungsanteil f sol Wirtschaftlichkeit Nutzungsgrad η Kollektorfläche und Speichervolumen

47 Zusammenhänge: Deckung, Auslastung, Nutzungsgrad, Deckung Wärmepreis Überschüsse Kollektorfläche Vor- und Rü cklaufte mperatur spezifische Investitionskosten Nutzungsgrad Verbrauch Ertrag Auslastung Arbeitszahl Quelle: M. Schnauss

48 Integrales Energiekonzept für Gebäudehülle und -technik Energiesparmaßnahme Kostenanalyse Berechnung der Energieeinsparung Investitions-, Betriebs-, Wartungs- und Planungs- Mehrkosten jährliche Energieeinsparung Wärmepreis = annuisierte Mehrkosten Energieeinsparung

49 Integrales Energiekonzept Beispiel: Endenergieeinsparung von 128 kwh/m²a auf 89 kwh/m²a = - 30 % Mehrkosten in Euro/(m² Wohnfläche) solare Trinkwassererwärmung mehr Dämmung Lüftung mit Wärmerückgewinnung mehr Dämmung solare Kombianlage Variante 1 Variante 2 Variante 3

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51 We should leave the oil before it leaves us Nobuo Tanaka, Exekutivdirektor der IEA (Internationale Energieagentur) Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme Nobelstr. 15 D Stuttgart