DIGITALE WÄRMEBEDARFSKARTEN: EIN INNOVATIVES PLANUNGSWERKZEUG FÜR DIE ERSTELLUNG VON ENERGIEVERSORGUNGSKONZEPTEN

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1 DIGITALE WÄRMEBEDARFSKARTEN: EIN INNOVATIVES PLANUNGSWERKZEUG FÜR DIE ERSTELLUNG VON ENERGIEVERSORGUNGSKONZEPTEN Dr. Bernd Eikmeier ASEW-Arbeitskreis Energiedienstleistungen, Stadtwerke Düren, Folie 1

2 Integration Bremer Energie Institut in Fraunhofer-IFAM : Integration des BEI ins IFAM (550 Mitarbeiter) als neue Abteilung Energiesystemanalyse Folie 2

3 Inhalt Erstellung einer digitalen Wärmebedarfskarte: Methodik und Ergebnisse am Beispiel der Stadt Emden Beispiele für die Anwendung von digitalen Wärmebedarfskarten Elemente und Ziele von Energieversorgungskonzepten Folie 3

4 Aufbau einer digitalen Wärmebedarfskarte Verbrauchsdaten Gebäudedaten Ziel: Integrale Betrachtung von Versorgungsaspekten Gebäudegrundflächen Gebäudehöhen Geschosszahl Nutzungsart ggfs. 3D- Laserscanningdaten Jahreswerte Energieträger ggfs. Tarifinformationen Digitaler Wärmeatlas Zusatzdaten, z.b.: Baualter Sanierungszustand Eigentümer Flächennutzungsplan Solardachkataster Netzdaten Anschlusszuordnung ggfs. Mitversorgung Folie 4

5 Datenbasis der Wärmebedarfskarte Emden Gebäudedaten aus dem Amtlichen Liegenschaftskatasterinformationssystem (ALKIS) Gebäudeumrisse der Neubauten, die noch nicht in ALKIS vorliegen 3D-Laserscanningdaten Gas- und Fernwärmenetz sowie die Gas- und Fernwärme-Hausanschlüsse Verbrauchsdaten Erdgas 2012 Erdgas 2011 Fernwärme 2012 Straßennetz von Emden: für jede Straße eine Linie der Straßenmitte Folie 5

6 Zentrale Arbeitsschritte Erstellung Wärmebedarfskarte Prüfung, Korrektur und Ergänzung von Daten Herausfiltern von nicht wärmerelevanten Gebäuden (Nutzung von Schrägluftaufnahmen) Hinzufügen und Zuordnen von Zusatzdaten (z.b. Baualtersklasse, FW-/Gas-Anschlussinformationen) Berücksichtigung von Mitversorgungsfällen Zuordnung von Verbrauchsdaten (nach Klimakorrektur) Berechnung spezifischer Werte, Plausibilitätsprüfungen Erstellung einer individuellen Gebäudetypologie Zuordnung von Bedarfswerten bei Gebäuden ohne Verbrauchswert Vielfältige Ergebnisdarstellungen Aktualisierbarkeit ist stets gegeben, muss aber vorgeplant werden Folie 6

7 Datenaufbereitung in Bezug auf Einzelgebäude (1) Herausfiltern von Gebäuden in Kleingärten und Industriegebieten Folie 7

8 Datenaufbereitung in Bezug auf Einzelgebäude (2) Plausibilitätsprüfungen, ggfs. Korrektur und Ergänzung der Geodaten, zum Teil unter Nutzung von Schrägluftaufnahmen Der Wärmeatlas basiert auf Objekten, davon sind Wohngebäude Nichtwohngebäude Folie 8

9 Berechnung A*/V: Berücksichtigung reales Siedlungsumfeld Wärmeabgabe an Wänden, die an beheizte Nachbargebäude (blau) angrenzen, ist viel geringer als bei kalten Außenwänden (rot) Der Flächenanteil der warmen Wände geht bei jedem Gebäude in die Berechnung des A*/V- Verhältnisses ein, unterschiedliche Gebäudehöhen werden berücksichtigt bei WG keine starre Gebäudetypologie, sondern individuelle Berücksichtigung der realen Siedlungsgegebenheiten Folie 9

10 Einrichtung von Mitversorgungsfällen (MV) Alle Objekte einer Adresse bilden einen Mitversorgungsfall (MV), es gibt auch adressübergreifende MV Alle Objekte einer MV bekommen eine Objektposition zugewiesen, Position 1 (Objekt mit Hausanschluss) ist das Versorgergebäude Folie 10

11 Aufbereitung und Zuweisung der Verbrauchsdaten Nutzung mehrerer Verbrauchsjahre erhöht die Belastbarkeit der Einzelwerte Nach Klimakorrektur werden die Jahreswerte miteinander abgeglichen In Emden: 91% der Werte innerhalb eines +/- 30%-Bereiches Abweichungen können aus Neuanschluss, Sanierung etc. resultieren Nicht alle Verbräuche lassen sich Gebäuden über Adressen zuordnen, dafür gibt es diverse Gründe: Gebäude ohne Adressangabe im GIS Verbrauchsadressen sind vorläufig vergeben (Dummy-Hausnummer) Abweichungen bei Schreibweisen, Hausnummern-Zusätzen etc. In Emden: 95% der Verbräuche konnten zugewiesen werden Anschließend Umrechnung in Bedarfswerte und Berechnung von flächenspezifischen Werten Folie 11

12 Weiterbearbeitung Verbrauchsdaten im Gebäude Abgleich mit Hausanschlüssen: In Emden gab es in 2% der Fälle keinen HA im Gebäude/Verbund Einzelkontrolle von flächenspezifischen Bedarfswerten Kontrolle auffallend hoher Werte / Vergleich mit Schrägluftaufnahmen ggfs. Nacharbeiten von Mitversorgungsfällen Nicht plausible Bedarfswerte werden gekennzeichnet und in der Folge nicht weiter benutzt In Emden: 99% der Fälle werden bei den WG als plausibel bewertet In Emden: 83% der Fälle werden bei den NWG als plausibel bewertet Folie 12

13 Nacharbeitung von Mitversorgungsfällen (1) Gebäude ohne Adresse / ohne Verbrauch mit Kontakt / in direkter Nähe Baugleiche / -ähnliche Gebäude haben einen Bedarfswert, der dem Mitversorgungsfall entspricht Schrägluftaufnahme zeigt, dass zwei Objekten real ein Gebäude bilden Folie 13

14 Nacharbeitung von Mitversorgungsfällen (2) Folie 14

15 Wohngebäudetypologie: Korrelationen über A*/V Für jede Baualtersklasse wird auf Basis der Objekte mit plausiblem Bedarfswert eine Korrelationsgerade Y = f (A*/V) berechnet In Emden: Anteil der WG mit Verbrauch: 84% hoch belastbar Folie 15

16 Flächenspez. Bedarf der WG in Abhängigkeit von der BAK Datenbasis: Wohngebäude-Objekte in Emden, arithmetisches Mittel Folie 16

17 Nichtwohngebäude (GHD) in Emden Nutzungsart Anzahl Flächenanteil Gebäude für Wirtschaft oder Gewerbe ,0% Gebäude für Handel und Dienstleistungen ,5% Allgemein bildende Schule 41 9,6% Berufsbildende Schule 12 9,1% Gebäude für öffentliche Zwecke 98 9,1% Land- und forstwirtschaftliches Betriebsgebäude 91 5,1% Gebäude für Gewerbe und Industrie 26 3,2% Kaserne 5 2,7% Kirche 28 0,9% Veranstaltungsgebäude 2 0,6% Sport-, Turnhalle 10 0,6% Betriebsgebäude für Flugverkehr 5 0,6% Gebäude zur Versorgung 6 0,6% Summe restliche NWG 84 4,4% Einige Nutzungsarten (mit hohem Anteil) sind relativ undifferenziert Die ersten 5 Gruppen repräsentieren bereits 81,2% der NWG-Flächen Folie 17

18 Typologie der Nichtwohngebäude Nutzung ist entscheidend, nicht die BAK Für jede Nutzungsart wird der Mittelwert berechnet und verwendet, soweit es sinnvoll möglich ist (ausreichende Fallzahl); außerdem Nutzung von Ergebnissen aus anderen IFAM-Projekten In Emden: IFAM waren bei Schulen ungewöhnlich niedrige Bedarfswerte aufgefallen; Erklärung: Sanierungsprogramm Dreiteilung der Nutzungsart Gebäude für Wirtschaft oder Gewerbe nach konkreten Verbund- und Siedlungszusammenhängen, Gründe: sehr große Fallzahl, sehr heterogene Zusammensetzung Aufgrund der Heterogenität ergibt sich im Regelfall insgesamt eine etwas geringere Belastbarkeit als bei den Wohngebäuden Weitere Klärung kann eine Einzelfallbetrachtung (vor Ort) bringen Folie 18

19 Häufigkeit und Wärmebedarfsanteile von NWG im Sektor GHD Datenbasis: Nichtwohngebäude-Objekte in Emden Folie 19

20 Struktur des Wärmebedarfs insgesamt (Nutzenergie) Datenbasis: Gebäude-Objekte in Emden Folie 20

21 Wärmebedarfskarte: Auflösung nach Objekten (Ausschnitt) Die Legende wird aus Datenschutzgründen nicht dargestellt. Hinweis: Kleine Lageungenauigkeiten resultieren aus Projektionsunterschieden der Datenquellen Folie 21

22 Wärmeliniendichten und Netzlängen Das Straßennetz wird in Abschnitte, begrenzt durch die nächsten Straßeneinmündungen, aufgeteilt und die Länge aller Straßenabschnitte wird berechnet Alle HA werden dem nächstgelegenen Straßenabschnitt zugewiesen und die die Hausanschlusslänge aus dem Abstand der vorderen Hauskante zur Straßenmitte berechnet Erfolgreiche Validierung der beiden Längenberechnungs-Verfahren an unterschiedlichen Siedlungsstrukturen: Abweichung < 10 % Für jeden Straßenabschnitt wird der Wärmebedarf der zugeordneten Objekte bzw. Mitversorgungsfälle addiert und der linienspezifische Wärmebedarf ermittelt (Wärmebedarfssumme / Straßenabschnittlänge) Für jeden Straßenabschnitt sind Varianten und Details möglich: - Einbeziehung der Hausanschlusslängen, - Differenzierung nach ein- und zweiseitiger Leitungsverlegung, - nur bislang nicht angeschlossene Objekte - Aufwand für eine Verlegung etc. Folie 22

23 Darstellung von Wärmeliniendichten Kein Wert <750 kwh/m >5000 Quelle: Stadtwerke Bielefeld Folie 23

24 Wärmeliniendichtekarte (Ausschnitt) Die Legende wird aus Datenschutzgründen nicht dargestellt. Hinweis: Kleine Lageungenauigkeiten resultieren aus Projektionsunterschieden der Datenquellen Folie 24

25 Inhalt Erstellung einer digitalen Wärmebedarfskarte: Methodik und Ergebnisse am Beispiel der Stadt Emden Beispiele für die Anwendung von digitalen Wärmebedarfskarten Elemente und Ziele von Energieversorgungskonzepten Folie 25

26 Anwendungsbeispiele der Wärmekarte Vielfältige Auflösungsoptionen Darstellung und Filterung nach Einzelgebäudemerkmalen, z.b.: Höhe des Wärmebedarfs Energieträger Gebäudeeigentümer (z.b. Wohnungsbaugesellschaft) Nutzungsart Szenarienrechnung, z.b. Sanierungsauswirkungen auf den Bedarf Clusteranalysen, z.b. Höhe des Wärmebedarfs Anteil von Einzelmerkmalen (z.b. Erdgas-Anschlussquote) Wärmedichten / mittlere Wärmeliniendichten Netzlängen(bedarf) Weitergehende Auswertung (z.b. KWK-Potenziale) gut geeignet für eine Vorauswahl / Rankingbildung Raster-/ Dichtekarte Bufferanalysen zum Netzausbau Datenübernahme in weitere Tools, z.b. für Wirtschaftlichkeitsanalysen Ergebnisvisualisierung Folie 26

27 Wärmedichte nach Baublockseiten Die Legende wird aus Datenschutzgründen nicht dargestellt. Folie 27

28 Wärmedichte nach Baublöcken / Fluren Folie 28

29 Einzelobjektscharfe Auswertungen Herausfiltern von Gebäuden mit überdurchschnittlich hohem Wärmebedarf möglich (ggfs. für ein sehr homogenes Teilkollektiv) sehr interessante Optionen für Energieversorger (bspw. für Contracting-Aktivitäten, für die Stadt (lohnenswerte Gebäudesanierungen),... Folie 29

30 Szenarienrechnungen zur Wärmebedarfsentwicklung Wärmebedarf 2010 Sanierung Trend 2020 Sanierung Trend 2030 Sanierung Spar 2030 Beispiele auf Basis exemplar. Werte Folie 30

31 Clusteranalysen / Rankingbildung Auf Basis exemplarischer Werte Clusterbildung ist beliebig möglich Statistischer Bezirk Siedlungszusammenhänge Schwellenwert-Filterung Cluster_ID Wärmebedarf [GWh] Clusterfläche [km²] Wärmedichte [GWh/km²] Wärmeliniendichte [kwh/m*a] 1 36,39 0,27 133, ,05 0,32 131, ,17 0,46 100, ,06 0,36 90, ,29 0,34 89, ,33 0,54 89, ,42 0,27 58, Auf Basis exemplarischer Werte Folie 31

32 Dortmund: Dichtekarte / Ausfilterung von Clustern Zelle: 20 * 20 m, Radius 160 m Folie 32

33 Düsseldorf: Wärmedichtekarte der Anschlusschance Zelle: 20 * 20 m, Radius 160 m Auf Basis exemplarischer Werte Folie 33

34 Wärmedichtekarte der Anschlusschance: Filterung Zelle: 20 * 20 m, Radius 160 m Auf Basis exemplarischer Werte Folie 34

35 Wert kommt aus GIS / Wärmekarte Kommentare Eingabewert von Stw. K.-L. beziehen sich auf die Spalte, in der sie stehen Projektierungskosten gelten die Werte Maximale Zahl möglicher Hausanschlüsse 170 Wie Anteile ansetzen? für Verteil-Leitung, maximaler Leitungsbedarf HA [m] J13-J15 bestimmen? für HA-Leitung maximaler Leitungsbedarf Verteilung [m] Verteilnetz [m] bei FW-Ausbauquote HA-Länge bei FW-Anschlussquote 576 und HA-Station HA-Kosten [ /m] 250 einheitlich? Ist-Stand FW-Anschlussquote % Inflationszuschlag Investitionskosten ab 2013 [%/a] 1,5% Ist Differenzierung nötig bzw. wie viel? Anteile Verhältnis Quote Anschlüsse zu Quote Wärme 0,5 Betriebskosten Pumpen etc. [% von Invest] 1,50% Nutzwärmebedarf Cluster gesamt 2012 [GWh/a] 8,5 Ausbaukosten ungünstige Voraussetzungen [ /m] % Anzahl HA [Stck] bei FW-Anschlussquote 26 Verwaltungskosten [% von Invest] 0,50% Nutzwärmebedarf Cluster gesamt 2020 [GWh/a] 7,4 Ausbaukosten mittlere Voraussetzungen [ /m] % Gibt es den Anteil? ggfs. Leistungs- Versicherungskosten [% von Invest] 0,25% Nutzwärmebedarf gesamt Cluster 2030 [GWh/a] 6,5 Ausbaukosten gute Voraussetzungen [ /m] % wie angesetzt? Zahlungsanteil Kunde (nach Abzug Förderung BAFA) 100% abhängig Nutzwärmebedarf gesamt Cluster 2040 [GWh/a] 5,7 derzeit mit 1 Jahr HA-Kosten [Stck.] 800 Nutzwärmebedarf gesamt Cluster 2050 [GWh/a] 4,9 Projektierungskosten (% von Invest) 6,0% Verzögerung Technische Lebensdauer [a] 30 Technische Lebensdauer [a] 20 Maximale FW-Anschlussquote [% Wärme] 30% Förderquote BAFA FW-Leitungsausbau 30% angesetzt Kapitalzins [%] 7,0% Kapitalzins [%] 7,0% Maximale Verteilnetz-Ausbauquote [% Wärme] 80% Vollast-Stunden Kunden-Anteil an Verteilung [ /kw] 100 (1+i)^n 7,612 (1+i)^n 3,870 Steige Trend-Szenario Verlauf des FW-Ausbaus ohne mit Förderung ohne mit Förderung, Kunde mit Förderung, Kunde ohne Kunde + mit Kunde + ohne Anteil mit Anteil mit Kunde + ohne Kunde + mit Kunde + mit Kunde + mit Kunde + Bezug: max. FW-Ausbauquote Bezug: max. Ausbau Förderung und Projektierung Förderung etc. und Projektierung und Projektierung Förderung Förderung Kunde Kunde Förderung Förderung Förderung Förderung Förderung Summe Invest- Summe Invest- kumulierte annuisierte annuisierte Variable Wärmebedarf Invest-Kosten kumulierte Jährliche Wärmebedarf FW Abgabe FW-Leistung Leitungsbau Invest-Kosten Kundenanteil an kumulierte Invest- annuisierte Invest- Leitungsbau Invest-Kosten Invest-Kosten Zubau HA- Invest-Kosten Invest-Kosten Kosten HA Kosten HA Invest-Kosten Invest-Kosten Invest-Kosten Kosten Jahr Cluster gesamt HA Verteilung FW-Leitung Invest-Kosten Netzkosten [%] [GWh/a] [MW/a] Verteilung [m] FW-Leitung [ ] Verteilung [ ] Kosten FW-Leitung [ ] Kosten FW-Leitung [ ] HA [m] HA-Leitung [ ] HA-Leitung [ ] Station [Stck] HA-Station [ ] HA-Station [ ] Station + Station + HA Station + HA Station + Fernwärme Fernwärme [GWh/a] [ ] FW-Leitung [ ] gesamt [ ] Leitung [ ] Leitung [ ] Leitung [ ] Leitung [ ] gesamt [ ] gesamt [ ] ,6 100,0% 15% 30% 0,4 0, ,5 98,4% 30% 60% 0,8 0, ,5 96,8% 45% 80% 1,1 0, ,4 95,1% 60% 100% 1,5 0, ,4 93,5% 70% 100% 1,7 1, ,3 91,9% 75% 100% 1,8 1, ,3 90,3% 80% 100% 1,8 1, ,3 88,7% 85% 100% 1,9 1, ,2 87,1% 90% 100% 2,0 1, ,2 86,0% 95% 100% 2,1 1, ,2 84,9% 100% 100% 2,2 1, ,1 83,9% 100% 100% 2,1 1, ,1 82,8% 100% 100% 2,1 1, ,1 81,8% 100% 100% 2,1 1, ,1 80,7% 100% 100% 2,1 1, ,0 79,6% 100% 100% 2,0 1, ,0 78,6% 100% 100% 2,0 1, ,0 77,5% 100% 100% 2,0 1, ,0 76,5% 100% 100% 2,0 1, ,9 75,5% 100% 100% 1,9 1, ,9 74,6% 100% 100% 1,9 1, ,9 73,6% 100% 100% 1,9 1, ,9 72,7% 100% 100% 1,9 1, ,8 71,8% 100% 100% 1,8 1, ,8 70,8% 100% 100% 1,8 1, ,8 69,9% 100% 100% 1,8 1, ,8 68,9% 100% 100% 1,8 1, ,7 68,0% 100% 100% 1,7 1, ,7 67,1% 100% 100% 1,7 1, ,7 66,1% 100% 100% 1,7 1, Summe Maximum Maximum 2,2 1,4 Info-Spalte, Info-Spalte, Info-Spalte, Info-Spalte, Info-S könnte könnte könnte könnte könn entfallen entfallen entfallen entfallen entfa spe Net [ Wirtschaftlichkeitsanalysen: Excel-Tool Die GIS-Datenbank liefert die erforderlichen Mengengerüste, u.a.: Wärmebedarfswerte (Ist-Stand + zukünftig) max. Zahl Hausanschlüsse Länge Verteilleitung Hausanschlusslängen Energieträger / Heizungsart Im Excel-Tool sind betriebswirtschaftliche Vorgaben hinterlegt, z.b.: spez. Kosten für Verteilung, HA-Leitungen und Stationen Betriebskostenansätze AP, LP, Erzeugungskosten Parameter für Szenarien-Analysen, z.b.: Anschlussgrade Ausbaugeschwindigkeiten BKZ und ZA Kunde Wirtschaftlichkeitsrechnung FW-Ausbau Schemabild Folie 35

36 Bielefeld: Ausgezeichnete Anwendung Fernwärme-Optionen Nahwärme-Optionen heutiges Fernwärmenetz Verdichtungen im Fernwärmegebiet Fernwärme-Ausbaumaßnahmen große FW-Ausbaumaßnahmen Stadtwerke-Award 2011 Quelle: Stadtwerke Bielefeld Folie 36

37 Ergebnisvisualisierung Sehr hohe Bedeutung für die interne und die externe Kommunikation! Darstellung von im GIS hinterlegten Merkmalen und Ergebnissen; aber auch von außerhalb des GIS gewonnenen Erkenntnissen Fernwärme-KWK Gas-Anschlussquoten Auf Basis exemplarischer Werte Quelle: Bremer Energie Institut Quelle: Bremer Energie Institut (KWK-Potenzialstudie NRW) Folie 37

38 Elemente / Ziele von Energieversorgungskonzepten Ein Energiekonzept kann und sollte auf die individuellen Bedürfnisse und Ziele des Auftraggebers ausgerichtet werden die Erstellung eines Energiekonzeptes ist kein Einheitsprodukt Gesamt- oder Teilgebietsbetrachtungen (Quartierskonzepte) (z.b. unterschiedliche Detaillierungsgrade) Analyse / Konkretisierung bestehender Unternehmensstrategie (z.b. Ausbau Gasnetz im Stadtteil X) Vergleich unterschiedlicher Versorgungsoptionen (z.b. Gas vs. Fern-/Nahwärme / Rosinenpicken vs. Gebietsversorgung) Zielwertanalysen (z.b. CO 2 -Emissionen X % bis zum Jahr Y): Ermittlung von Entwicklungspfaden oder erforderlichen Maßnahmen Analyse der Auswirkungen externer Effekte (z.b. verstärkte Gebäudesanierung) Unterschiedliche Zielorientierungen (z.b. Unternehmensrendite, Klimaschutzeffekte) Folie 38

39 Stadt-Beispiel: Strategische Ziele der Stadt / Energiekonzept Arbeiten Arbeits- und Ausbildungsplätze schaffen und erhalten Wohnen Erhöhung der Einwohnerzahl durch Entwicklung attraktiver Wohngebiete Einkaufen Stadt XY als Einkaufsstadt stärken Bildung Stadt XY als Bildungs- und Hochschulstandort entwickeln Freizeit & Erholung Attraktives Kultur-, Freizeit und Sportangebot vorhalten Energie ist bei den strategischen Zielen der Stadt nicht erwähnt Integrale Versorgungsoptionen Zero Emission Park Erstellung Wärmebedarfsatlas Festlegung eines hohen Gebäudesanierungsstandards Regionale Wertschöpfung Kooperation zu Energiethemen mit der Hochschule Nutzung erneuerbarer Energien Neunutzung Konversionsflächen Was können mögliche Bausteine des Energiekonzepts zu den strategische Zielen beitragen? Folie 39

40 Projekt-Beispiel: Module und Arbeitspakete in Stadt XY Modul 1: Erfassung Status quo und Erstellung Planungstool Wärme AP 1: Ermittlung und Darstellung des Status quo AP 2: Erarbeitung einer digitalen Wärmebedarfskarte Modul 2: Analyse von Handlungsoptionen AP 3: Ausbaupotenziale Wärmenetze und KWK AP 4: Ausbaupotenziale Gasnetze AP 5: Nutzung Erneuerbarer Energien / Elektromobilität AP 6: CO 2 -Wirksamkeit von Maßnahmen Modul 3: Externer Workshop AP 7: Workshop mit Akteuren in der Stadt Modul 4: Ergebnisse und Handlungsempfehlungen AP 8: Handlungsempfehlungen AP 9: Ergebnisdokumentation Modul 5: Interner Workshop AP 10: Entwicklung Leitbild und Umsetzungsstrategie Folie 40

41 Kontaktdaten Dr. Bernd Eikmeier Projektleiter Energiesystemanalyse Fraunhofer-IFAM Wiener Straße Bremen Tel.: 0421 / bernd.eikmeier@ifam.fraunhofer.de Folie 41