Leitfaden Technisch-Wirtschaftliche Analyse eines Abwärmeverbundes in kleinteiligen Gewerbegebieten

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1 Leitfaden Technisch-Wirtschaftliche Analyse eines Abwärmeverbundes in kleinteiligen Gewerbegebieten Projekt HEATLOOP Handreichung für die Praxis Stand

2 Zusammenfassung Die rationelle Nutzung von Abwärme steigert die Effizienz von Industriebetrieben, reduziert den Einsatz von Energieträgern sowie die damit verbundenen Kosten und leistet einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz. Der Inhalt des vorliegenden Leitfadens soll als Arbeitshilfe dienen und zeigt eine Herangehensweise auf, die im HEATLOOP-Projekt angewendet wurde. Im Allgemeinen sind Abwärmenutzungen maßgeschneiderte Projekte, die in jedem einzelnen Fall spezifischer untersucht und ausgelegt werden müssen. Mit dem HEATLOOP-Projekt wurden Vorgehensweisen auf Verbundebene kleinteiliger Gewerbe- und Industriegebiete erprobt, um Abwärmequellen und -senken zu ermitteln und zu bewerten. Für die Erhebung des Abwärmepotenzials und des Wärmebedarfs der potenziellen Abnehmer wurden zwei Ansätze verwendet. Basierend auf Firmenbesuchen und Firmeninterviews wurde das Abwärmepotenzial erhoben und errechnet. Auf der Seite der Wärmesenken wurde anhand statistischer Daten der Wärmebedarf bei den möglichen Abnehmern ermittelt. Ziel ist es, Potenziale der Abwärmenutzung im Verbund aus Wärmequellen und -senken zu ermitteln und verfügbare Technologien mit deren Einsatzbereichen und wirtschaftliche Aspekte in einer Machbarkeitsuntersuchung zusammenzuführen. Neben der technischen ist die wirtschaftliche Machbarkeit eine Voraussetzung zur Erschließung des vorhandenen Abwärmepotenzials. Die Bewertung beinhaltet eine technisch-ökonomisch und ökologische Modellierung des Gesamtsystems und definiert eine einheitliche, transparente Berechnungsgrundlage. Dazu gehört nicht nur eine Definition von Kosten, Erlösen und Umweltkategorien, sondern auch eine sinnvolle Allokationsmethode der ökonomischen, ökologischen und sozialen Komponenten. Das Ergebnis sind ökologische und ökonomische Kennzahlen wie Investitions- und Betriebskosten sowie z.b. Treibhausgasemissionen. Bei der Investitionsplanung werden politische Rahmenbedingungen berücksichtigt und mögliche Fördermaßnahmen, Anreize und Subventionen integriert. 2

3 Inhaltsverzeichnis 1 Ausgangssituation Ermittlung der Untersuchungsgebiete Grobermittlung des Abwärmepotenzials Energietechnische Voranalyse Datenaufnahme zur Ermittlung des Abwärmepotenzials Technische Berechnungen Wärmeleistung und Wärmemengen Ermittlung der Wärmemenge der Abwärmequellen Identifizierung der Wärmesenken Konzipierung eines Abwärmeverbundes (Machbarkeit) Einsatzmöglichkeiten Verbindung von Abwärmequellen mit Wärmesenken Leitungsgebundener Wärmetransport Ermittlung einer Vorzugsvariante mittels Nachhaltigkeitsbewertung Wirtschaftlichkeitsbetrachtung / Ökonomische Bewertung Ökologische Bewertung Umsetzungssicherheit Fazit Anhang

4 1 Ausgangssituation Wirtschaftlich und unter dem Gesichtspunkt der Vermeidung von ökologischen Folgekosten sind Prozesswärmeverluste in Industriebetrieben zu vermeiden. Ist eine Reduzierung dieser Verluste nicht ohne weiteres möglich, da beispielsweise in den Produktionsprozess einzugreifen wäre oder technisch ausgereifte Lösungen fehlen, besteht die Möglichkeit, diese Energieverluste zu einem gewissen Grad nutzbar zu machen. Abwärme aus industriellen Prozessen bietet ein großes Potenzial für die Nutzung in innerbetrieblichen Prozessen oder die außerbetriebliche Nutzung, z.b. für die Beheizung von benachbarten Gebäuden. Dieser Leitfaden behandelt ausschließlich die außerbetriebliche Nutzung industrieller Abwärme. Das bedeutet, dass im Umfeld der Abwärme liefernden Industrieunternehmen ansässige Betriebe, staatliche Liegenschaften und private Hauseigentümer zum potenziellen Abnehmerkreis gehören. Die Abwärme wird nach Auskopplung auf ein Wärmetransportsystem (z.b. Nah- oder Fernwärmenetz) übertragen. Die vorliegende Ausarbeitung zeigt exemplarisch die Ergebnisse von HEATLOOP auf. Die Phase I beinhaltet die Schrittfolgen zur technischen Vorplanung und zur Entwicklung eines Abwärmeprojektes. Das Projekt HEATLOOP zielt darauf ab, einen Abwärmeverbund in kleinteilig genutzten Gewerbegebieten in Bochum zu konzipieren und umzusetzen. Die Vorgehensweise ist auf ähnlich strukturierte Gebiete übertragbar. In Phase I umfasst die technische Vorplanung folgende Schritte: Ermittlung der Untersuchungsgebiete Grobanalyse zur Ermittlung des Abwärmepotenzials Identifizierung der Wärmesenken und Wärmebedarfsermittlung der potenziellen Wärmeabnehmer Machbarkeitsuntersuchung für einen Abwärmeverbund unter Klärung der technischen Rahmenbedingungen, der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und der ökologischen Bewertung Neben den technischen sind die organisatorischen Voraussetzungen und Beteiligungsformen der Akteure zur Mitwirkung am Planungsprozess zu klären. (siehe hierzu den Leitfaden zur Akteursbeteiligung am Beispiel des Aufbaus eines Abwärmeverbundes in kleinteiligen Gewerbegebieten). Die Schrittfolgen der technischen Vorplanung und der Akteursarbeit sind in der folgenden Abbildung wiedergegeben. 4

5 Abbildung 1: Technische Prozesse und Akteursarbeit 5

6 2 Ermittlung der Untersuchungsgebiete Dieser Bearbeitungsschritt liefert eine erste Annäherung über das vorhandene Abwärmepotenzial in den Gewerbe- und Industriegebieten und zum Wärmebedarf der gewerblichen Nutzungen: Zunächst werden die Standorte der Industriebetriebe ermittelt. Grundlage sind Unternehmensregister z.b. bei den Industrie- und Handelskammern (IHKs) oder Gewerbeinformationssysteme bei Kommunen/Wirtschaftsförderungen. Weitere Grundlagen sind Katasterkarten (Allgemeines Liegenschaftskataster) und Luftbilddaten. In einem nächsten Schritt ist die wirtschaftliche Tätigkeit der Betriebe zu ermitteln. Daraus können erste Rückschlüsse auf Prozesse und Temperaturniveaus gezogen werden. Die Ortskenntnis der Wirtschaftsförderungen kann hierbei hilfreich sein. Somit können in erster Näherung die Industriebetriebe ermittelt werden, die über mögliche relevante Abwärmequellen verfügen. Auch potenzielle Wärmesenken (Abnehmer) können identifiziert und dargestellt werden. Diese Ergebnisse werden anschließend in eine Kartendarstellung von Angebot und Nachfrage überführt. Im Projekt HEATLOOP wurden in Zusammenarbeit mit der Stadt Bochum die Gewerbe- und Industriegebiete untersucht, da hier bereits detaillierte Datengrundlagen durch Vorarbeiten vorhanden waren. Basierend auf einem kommunalen Gewerbeflächeninformationssystem (ruhragis = Atlas der Gewerbe- und Industriestandorte der Metropole Ruhr) 1 konnten die Gewerbegebiete analysiert werden. Der gewerblich-industrielle Bestand wird jährlich geodatenbasiert flächenscharf erfasst, analysiert und nach ihren Tätigkeitsmerkmalen entsprechend der Wirtschaftszweigklassifikation des Statistischen Bundesamtes eingeordnet. Das Datenmodell erlaubt es, Geo-, Fachdaten (z.b. Energiekennwerte) und amtliche Statistikdaten miteinander zu verknüpfen. Den Fokus bildeten kleinteilig genutzte Gewerbegebiete in Bochum. Die dort ansässigen Betriebe sind vorrangig klein- und mittelständische Unternehmen (KMU). Werden diese nach Branchen unterteilt, so ergibt sich ein ausgewogener Mix aus Industrie, Handwerk, Dienstleistungen und Großhandel. Die Betriebsflächen betragen im Mittel m². Zudem weisen die Gebiete eine räumliche Nähe zwischen den Industriebetrieben mit den Abwärmequellen und den potenziellen gewerblichen Wärmeabnehmern auf. Im Umfeld der Gewerbegebiete sind Wohnsiedlungen und Gemeinbedarfseinrichtungen, die ebenfalls als möglicher Abnehmerkreis in Frage kommen

7 3 Grobermittlung des Abwärmepotenzials 3.1 Energietechnische Voranalyse Nach Einteilung der Unternehmen zu wirtschaftlichen Tätigkeitsfeldern (Branchen) erfolgt eine einfache Bewertung darüber, wie bedeutsam die Industriebetriebe in Bezug auf ein mögliches Abwärmepotenzial sind. Da in diesem Schritt der Energieeinsatz in den Unternehmen meist nicht bekannt ist, werden Anhalts-bzw. Durchschnittswerte für den Energiebedarf typischer Industriebetriebe bzw. energieintensiver Branchen herangezogen (siehe Abbildung 2). Kennwerte können aus öffentlich zugänglichen Branchenenergieberichten (z.b. auf den Internetseiten der Energieagenturen) oder Veröffentlichungen aus Forschung und Wissenschaft entnommen werden. Die Kennwerte beziehen sich in der Regel auf Produktionsmengen oder Beschäftigte, weniger auf Betriebsflächengrößen. Durch die Hinzuziehung von Produktionsstatistiken in Geschäftsberichten oder veröffentlichte Mitarbeiterzahlen kann der Energieeinsatz grob abgeschätzt werden. Wertvolle Quellen sind darüber hinaus Umwelt- oder Energieberichte der Unternehmen. Abbildung 2: Prozesstemperaturen in Abhängigkeit der Branchenzugehörigkeit* * Quelle: C. Lauterbach, B. Schmitt, K. Vaje: Das Potential solarer Prozesswärme in Deutschland. Teil 1 des Abschlussberichtes zum Forschungsvorhaben SOPREN Solare Prozesswärme und Energieeffizienz Förderkennzeichen: T. Institut für Thermische Energietechnik, Universität Kassel. Kassel, Dezember

8 3.2 Datenaufnahme zur Ermittlung des Abwärmepotenzials Nach einer ersten Einschätzung des Abwärmepotenzials werden in einem nächsten Schritt Übersichtsdaten auf Einzelbetriebsebene erhoben. Energieverbrauchsdaten unterliegen dem Datenschutz. Um die für eine Analyse notwendigen Daten auf Betriebsebene zu erhalten, ist frühzeitig ein Dialogprozess mit Einbindung der Akteure anzustoßen. 2 Im Projekt HEATLOOP wurden die identifizierten Schlüsselunternehmen angesprochen. Diese Unternehmen sind in erster Linie dem industriellen Sektor (mit energieintensiven Produktionsprozessen) zuzuordnen oder dem Handel/Lagerei mit hohen Energiebedarfen (z.b. Kühlhäuser). Neben dem Gewerbeflächeninformationssystem ruhragis liefert auch die Kenntnis der Wirtschaftsförderung zu den Betrieben vor Ort weiteren Aufschluss zu den Schlüsselunternehmen. In einem nächsten Schritt werden die Unternehmen individuell angesprochen. Über die Möglichkeiten der Ansprache informiert der Leitfaden zur Akteursbeteiligung. In den Terminen vor Ort werden Angaben zum Unternehmen und zu den wesentlichen Produktionsverfahren und geplanten Maßnahmen abgefragt. Kern des Erstgespräches ist es, die eingesetzten Energiemengen für die Produktion, Lastprofile und das Temperaturniveau der Abwärmequellen zu erfassen. Durch Betriebsbegehungen verschafft man sich einen ersten Eindruck zu den Produktionsanlagen und -abläufen, Alter und Bauzustand der Anlagen und der Gebäudetechnik (z.b. Lüftungsanlagen, Heizsysteme, inklusive deren Erneuerungsbedarf im Zeitverlauf etc.). Ebenso wichtig ist es, Betriebszeiten zu kennen und bereits umgesetzte Optimierungen bei der internen Nutzung von Energieströmen zu erfassen. Dies hat wesentlichen Einfluss auf die tatsächlichen extern nutzbaren Abwärmemengen. Eine Checkliste zur Datenerhebung ist im Anhang des Leitfadens beigefügt. Um alle relevanten Abwärmequellen eines Unternehmens zu erfassen, ist es notwendig, die einzelnen Produktionsverfahren genauer zu betrachten. Nutzbare Abwärmequellen sind u.a.: Abluft aus Prozessen oder Fertigungsbereichen; Abwasser aus Prozessen; Abgase aus Kesselanlagen und anderen Verbrennungsvorgängen; Kühlwasser aus Produktionsverfahren, Kälteanlagen oder Druckluftkompressoren. Folgende Kenngrößen werden für die Identifizierung der Abwärmequellen herangezogen: Abwärmemedium (gasförmiges, flüssiges oder festes Medium) Temperaturen [ C] bzw. Temperaturdifferenzen [K] Massenstrom bzw. Volumenstrom [kg/h] bzw. [Nm³/h] Spezifische Wärmekapazität [kj/(kgk)] Betriebszeiten [h/a] Leistungen laut Typenschild [kw] 2 siehe Leitfaden Akteursbeteiligung am Beispiel des Aufbaus eines Abwärmeverbundes in kleinteiligen Gewerbegebieten in Bochum das Projekt HEATLOOP 8

9 3.3 Technische Berechnungen Wärmeleistung und Wärmemengen In diesem Schritt werden anhand der erhobenen Daten die Wärmeleistungen bzw. die jährlichen Wärmemengen ermittelt. Die ermittelten Kenngrößen geben Aufschluss z.b. über die Wärmeleistungen (kw) für die erhobenen Abwärmequellen. Mit den Betriebszeiten pro Jahr und den Kontinuitätseigenschaften einer Abwärmequelle können Abwärmemengen (z.b. kwh/a) ermittelt werden. Bekannt sind die eingesetzten Energiemengen, die wesentlichen Produktionsabläufe und die Abwärmequellen. Die Erschließung dieser Abwärmequellen und deren effiziente Nutzung werden von folgenden Parametern bestimmt: Medium z.b. Wasser, Abluft, etc. Schadstoffzusammensetzung Massenstrom des Abwärme -Mediums z.b. in kg/h, m 3 /h Temperaturdifferenz des Abwärme -Mediums z.b. in C Ermittlung der Wärmemenge der Abwärmequellen Die Ermittlung der Wärmemenge der Abwärmequellen kann jedoch mit Unsicherheiten behaftet sein. Angaben zu Abwärmemengen liegen oft nicht vor oder sind veraltet, da Anlagen beispielsweise mittlerweile optimiert worden sind. Oft sind Masseströme nicht bekannt. Hierzu Messungen durchzuführen, ist jedoch relativ aufwendig. Durch Berechnungen aus dem Gasverbrauch und mit Hilfe des Massenerhaltungsgesetzes können die Komponenten und Mengen des Abgases (Verbrennungsabgas) ermittelt und der spezifische c p -Wert (Wärmekapazität) für das Abgas bestimmt werden. Hieraus können die Abwärmemengen und die -leistung näherungsweise errechnet werden. Ungenauigkeiten in der Verbrennungsrechnung bestehen dort, wo bei den fortgeführten Abgasen Umgebungsluft über Zugunterbrecher beigemischt wird. Hierfür müssten das Luftvolumen der Produktionshalle und die Größenordnungen der Zuluft durch Leckagen bekannt sein. 9

10 3.4 Identifizierung der Wärmesenken Zielrichtung einer Analyse ist es, die technischen Rahmenbedingungen abzustecken, wie die Abwärme aus einem Betrieb in ein Nah- bzw. Fernwärmenetz einzuspeisen ist. Es sollte jedoch immer zuerst geprüft werden, ob eine betriebsinterne Nutzung von Abwärme technisch und wirtschaftlich möglich ist. Bei Einspeisung von Abwärme in ein Wärmenetz ist eine Abnehmerstruktur (Bebauung, Wärmebedarfsdichte) im Umfeld der Betriebe notwendig. Idealerweise werden Industriebetriebe oder große nicht-gewerbliche Verbraucher (z.b. Schwimmbäder) in unmittelbarer Nachbarschaft mitversorgt. Zur Erfassung der benötigten Wärmemengen der potenziellen Abnehmer können Brennstoff- bzw. Heizkostenabrechnungen dreier zusammenhängender Jahre genutzt werden. Alternativ kann über die Anlagenleistung und die jährlichen Betriebsstunden das jeweilige Bedarfsprofil grob bestimmt werden. Folgende Kenngrößen sind für jede identifizierte Wärmesenke zu erheben: Wärmesenkenmedium (gasförmiges, flüssiges oder festes Medium) Temperaturen [ C] Massenstrom bzw. Volumenstrom [kg/h][nm³/h] Spezifische Wärmekapazität des Mediums [kj/(kgk)] Betriebszeiten [h/a] Bedarfsprofil, Betriebszeiten, Kesselleistungen laut Typenschild [kw] Jahresenergiemenge [kwh] Für die Ermittlung der Wärmesenken und zur Abschätzung des Wärmebedarfs wird der Kontakt zu den potenziellen Abnehmern im Umfeld hergestellt. Durch Kooperation mit den Stadtwerken bestand die Möglichkeit für das HEATLOOP-Verbundprojekt, auf Ebene räumlich zusammengefasster Abnahmestellen, den Verbrauch zu erfassen. Darüber hinaus bestehende Datenlücken wurden geschlossen durch die Verwendung von Energiekennwerten aus Gebäudetypologien des IWU (Institut für Wohnen, Darmstadt) und energetischer Kennwerte für Nichtwohngebäude. 10

11 4 Konzipierung eines Abwärmeverbundes (Machbarkeit) 4.1 Einsatzmöglichkeiten Das HEATLOOP-Projekt befasst sich mit der Nutzung von Abwärme und deren Auskopplung und Einspeisung von Energie in ein Wärmenetz. Auch kleine Vernetzungen sind denkbar, etwa die Versorgung des unmittelbar benachbarten Betriebs. Generell sind die Einsatzmöglichkeiten der Abwärme (z.b. für Heizung, Brauchwasser, Prozesswärme), die mit gewissen Temperaturniveaus verknüpft sind, zu klären. In diesem Schritt sind somit bei dem potenziellen Abnehmerkreis deren Wärmesenken und deren Bedarfe genauer zu identifizieren. Die Einsatzgebiete für die Abwärmenutzung sind vielfältig, z.b. für sind die Raumbeheizung, Warmwasserbereitung, Prozesswärmebereitung, Trocknungsprozesse oder Kälte. Ebenfalls möglich ist die Stromgewinnung aus Abwärme durch die ORC-Technologie. Diese Option wurde jedoch im HEATLOOP-Projekt nicht behandelt, da das Projekt reine Wärmeverbünde behandelt. Es ist zu weiterhin zu klären, ob die Abwärmenutzung in den Produktionsprozess eingebunden werden kann. Denn Eingriffe in den Produktionsprozess sind soweit wie möglich zu minimieren. Dies muss bei der Grobanalyse und Konzipierung von vornherein berücksichtigt werden. Sind diese Aspekte abgearbeitet, kann die entsprechende Abwärmenutzungstechnologie ausgewählt werden. Nach Auswahl der Technologie und der Ermittlung der zu erwartenden Einsparungen von Brennstoffen kann die Wirtschaftlichkeit der Abwärmenutzung berechnet werden. Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit von Abwärmenutzungen haben Parameter wie Investitionskosten, Betriebszeiten pro Jahr, Kontinuität der Abwärmeleistung, aktuelle Energiepreise, Energieabnehmer, Marktreife der Technologie usw. 4.2 Verbindung von Abwärmequellen mit Wärmesenken Die Auswahl einer optimalen Abwärmenutzungstechnologie ist Voraussetzung für eine zweckmäßige Wärmerückgewinnung. Entsprechend der erhobenen Energiekenngrößen der Abwärmequellen und der Wärmesenken lässt sich eine mögliche Kombination feststellen. Darüber hinaus müssen die örtlichen Entfernungen bzw. Gegebenheiten eines so genannten Wärmerückgewinnungssystems beurteilt werden. Um eine Aussage über die Gleichzeitigkeit aus Wärmeauskopplung und -nutzung zu erhalten, sind die Betriebsstunden, die Kontinuität der Abwärmequelle und das Bedarfsprofil der Wärmesenke zu betrachten. Folgende Kriterien sind für die Kombination von Abwärmequellen und -senken zu prüfen: Temperaturniveau [ C] Wärmeleistung [kw] Energiemenge [kwh/a] Verfügbarkeit/Nachfrage Entfernung [m] 11

12 4.3 Leitungsgebundener Wärmetransport Die außerbetriebliche Nutzung von Abwärme erfordert ein Wärmetransportsystem. Für den Wärmetransport stehen grundsätzlich zwei Systeme zur Verfügung: leitungsgebundener Wärmetransport (in der Regel Fernwärme- oder Nahwärmeleitungen) mobiles Wärmetransportsystem (Wärmecontainer per Lkw- oder Bahntransport)3 Häufigstes Wärmetransportsystem ist der leitungsgebundene Wärmetransport, der unterirdisch oder auch oberirdisch verlaufen kann. Das Wärmeverteilnetz kann in einem ersten Analyseschritt auf Basis von Grundkarten oder Stadtplänen konzipiert werden. Zur überschlägigen Ermittlung der notwendigen Investitionen in die Leitungssysteme müssen in einem ersten Schritt die Nennweiten der Fernwärmeleitungen bestimmt werden. Die Nennweiten ergeben sich in Abhängigkeit der zu übertragenen Wärmeleistung und aus der Temperaturdifferenz zwischen der Vor- und Rücklaufleitung. Liegt die Dimension der Leitungen vor, ist die Länge der Leitungen und die Verlegungsart zu bestimmen. Bei der Verlegungsart spielt es eine Rolle, ob die Leitungen oberirdisch oder unterirdisch verlegt werden. Die oberirdische Verlegung ist im Vergleich zur unterirdischen Verlegung oft kostengünstiger. Bei der unterirdischen Verlegung ist häufig im Bereich von öffentlichen Straßenflächen die asphaltierte Fahrbahndecke wieder herzustellen. Ebenfalls können erschwerte Baubedingungen auftreten, wenn z.b. in engen Straßenräumen Wasser- und Abwasserleitungen sowie Stromkabel verbaut sind oder Infrastrukturtrassen (z.b. Bahntrassen) gequert werden müssen. Alternativ gibt es eine einfache oberirdische Verlegung (Freileitungen) oder nach Möglichkeit die Durchführung der Leitungen durch Gebäude. Bei der Erarbeitung von Trassenvarianten ist zu empfehlen, frühzeitig den Energieversorger bzw. Netzbetreiber einzubeziehen. Aus Sicht einer optimalen technischen und wirtschaftlichen Umsetzbarkeit bedarf es nach der Phase der Vorermittlung und Grobabschätzung einer detaillierten Planung und Kostenkalkulation. Denn das Wärmetransportsystem macht einen hohen Anteil an den gesamten Investitionskosten aus. 4.4 Ermittlung einer Vorzugsvariante mittels Nachhaltigkeitsbewertung Zur Evaluation von Versorgungsvarianten und zur Ermittlung einer Vorzugsvariante können alle Varianten einer Nachhaltigkeitsbewertung unterzogen worden. Diese umfasst die Bewertungskategorien Ökonomie, Ökologie und Umsetzungssicherheit. Die Bewertungskategorie Umsetzungssicherheit ist spezifisch auf die Region angepasst und beinhaltet auch soziale Aspekte, da für die Umsetzung auch soziale Fortschritte im Vordergrund stehen. Für die einzelnen Bewertungskategorien werden Kennzahlen ermittelt. Mittels eines Kriterienkatalogs können die Kennzahlen klassifiziert werden. Darüber hinaus können Kennzahlen und Kategorien gewichtet werden. Dadurch ist es möglich in direkter Abstimmung mit den Akteuren des Projekts Bewertungsschwerpunkte zu setzen. So können die Versorgungsvarianten aus unterschiedlichen Sichtweisen, z. B. kostengünstiger CO 2 -Reduktion oder kostengünstiger Wärmeversorgung evaluiert werden. 3 Siehe z.b. LaTherm Mobile Speichersysteme 12

13 Grundsätzlich ist zwischen qualitativen (beschreibenden) und quantitativen (rechnenden) Kennzahlen zur Bewertung zu unterscheiden. Folgende Kennzahlen sind für die einzelnen Bewertungskategorien ausgewählt worden: Ökonomische Bewertung Investitionskosten ohne Förderung pro MWh [ /a] Betriebskosten ohne Förderung pro MWh [ /a] Differenz Abwärme- zu Fernwärmepreis [ /MWh] Ökologische Bewertung Jährliche CO2-Einsparung [t CO2/a] CO2-Einsparung pro Investition. über 20 Jahre [kg CO2/ ] jährliche ungeförderte Kosten pro Tonne CO2 [ /t CO 2 /a] Umsetzungssicherheit Förderung [%] Kapitalzinssatz [%] Akteursinvolvierung [qualitativ] Erweiterungsmöglichkeiten des Abwärmeverbundes [qualitativ] Beispielhaft ist in Abbildung 3 die Bewertung von drei Versorgungsvarianten in vier Szenarien abgebildet. Die Variante T ist die ermittelte Vorzugsvariante. Sie weist das ausgewogenste Verhältnis von Ökonomie, Ökologie und Umsetzungssicherheit in allen bewerteten Szenarien auf. Abbildung 3: Nachhaltigkeitsbewertung verschiedener Varianten (Quelle: Fraunhofer UMSICHT) 13

14 4.4.1 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung / Ökonomische Bewertung In diesem Schritt sind die finanziellen Aufwendungen für die Abwärmegewinnung und Wärmetransportaufwendungen zu ermitteln. Grundlage bildet die Jahreskostenberechnung unter Einbezug der Investitionskosten, Betriebs- und Verbrauchskosten. Die Wirtschaftlichkeitsberechnung liefert letztlich Aufschluss darüber, ob die Abwärme zum gleichen Preisniveau wie die vorhandene Versorgung oder eventuell kostengünstiger zur Verfügung gestellt werden kann. Dies ist Voraussetzung, damit ein Abwärmeverbund überhaupt nachgefragt wird. Für die Wirtschaftlichkeitsberechnung sind folgende Schritte notwendig: Auswertung der Fragebögen und Zusammenfassung des gesamten Abwärmeangebotes pro Betrieb und des gesamten Abwärmenutzungspotenzials. Um die Aufwendungen für Abwärmgewinnung, -transport und -verteilung und -einbindung abschätzen zu können, müssen die Auslegungsdaten, die Technik der Abwärmauskopplung, der Abwärmeübertragung und der Abwärmeinspeisung bei dem Wärmekunden festgelegt werden. Danach sind dann für die technischen Konzepte die Investitionskosten sowie die Verbrauchs- und Betriebskosten zu ermitteln. Von diesen und den nachfolgenden Schritten hängt die Gesamtwirtschaftlichkeit ganz erheblich ab. Hier empfiehlt es sich einen Fachplaner einzuschalten. Dieser ermittelt auf Basis der erhobenen Daten die optimale Anlagentechnik, die Kosten/Jahreskosten, den potenziellen Wärmepreis für die Abwärme. Hieraus ergibt sich der potenzielle Wärmegestehungspreis. Dieser wird dann mit den aktuellen Versorgungspreisen verglichen. Mit Hilfe von staatlichen Fördermitteln, die hierfür zur Verfügung stehen, ist es möglich, die Wärmegestehungskosten zu senken, die Wirtschaftlichkeit zu verbessern und die Abwärmenutzung für den potenziellen Abnehmernehmerkreis attraktiver zu gestalten. Da in der Vorplanungsphase konkrete Werte oft nicht zur Verfügung stehen, werden technischwirtschaftliche Richtwerte herangezogen. Die Werte beziehen sich auf übliche Projektsituationen und Standard-Anlagen. Die Kapitalkosten können mit dem Ansatz nach VDI 2067 berechnet werden. Diese berücksichtigen neben den Zinsen auch die rechnerische Nutzungs-und Abschreibungszeit (z.b. AFA-Sätze). Um sicherzustellen, dass die angeschlossenen Wärmeabnehmer stets mit der notwendigen Wärme versorgt werden können, müssen wichtige Teile des Systems mehrfach und unabhängig voneinander ausgelegt werden (sogenannte Redundanz). D.h. die Abwärmeleistung wird in Form von konventionellen Wärmeerzeugern (z.b. einem Gaskessel) nochmals bereitgestellt. Dies bedingt zusätzliche Investitionsaufwendungen und hat Einfluss auf die Wärmegestehungskosten Ökologische Bewertung Alle ökologischen Bewertungen und Auswirkungen beruhen auf Energie- und Stoffflüssen. Bewertungen bauen deshalb auf der Abschätzung oder Berechnung von deren Größe auf. Im Falle der Abwärmenutzung werden die vorhandenen Wärmeerzeugungsanlagen ersetzt. D.h. die in den vorhandenen Wärmeerzeugungsanlagen der potenziellen Abwärmekunden entstehenden Schadstoffe können als eingesparte Schadstoffe bei der Abwärmenutzung kalkuliert werden. Als Hauptemittenten 14

15 sind hier vor allem die Luftschadstoffe zu betrachten, die von den Kesselanlagen bei der Wärmerzeugung im Abwärme liefernden Betrieb emittiert werden. Die Ansätze für das CO 2 -Einsparpotenzial sind in erster Näherung brennstoffabhängig. Für die Kalkulation von Treibhausgasminderungseffekten eignen sich verschiedene öffentlich zugängliche Quellen und Datensätze (z.b. UBA-Veröffentlichungen, GEMIS-Daten) Umsetzungssicherheit Die Bewertung der Umsetzungssicherheit kann über quantitative und qualitative Kennzahlen ermittelt werden. So haben z.b. der Kapitalzinssatz und die Renditeerwartung des Investors einen großen Einfluss darauf, ob sich ein Abwärmeverbund wirtschaftlich umsetzen lässt. Die Umsetzbarkeit kann wesentlich verbessert oder gar erst ermöglicht werden, wenn solche beispielgebenden Projekte mit staatlichen Fördermitteln unterstützt werden. Neben solchen quantitativen Kennzahlen können qualitative Kennzahlen eingebunden werden, um die generelle Motivation und den Einbindungsgrad der Akteure und eine mögliche Erweiterung des Abnehmerkreises zu bewerten. Es können als Beispiel Imagegewinn, weiche Standortfaktoren, Netzwerkbildung in dem Gewerbegebiet angeführt werden. 5 Fazit Abwärme ist ungenutzte Wärme, welche an die Umgebung abgegeben wird. Diese Wärme kann mittels geeigneter Technologien zurückgeführt werden. Technische Lösungen für die Wärmerückgewinnung sind weitgehend ausgereift und reichen von der konventionellen Wärmerückgewinnungen mittels Wärmetauscher bis hin zur Einbindung in die Kälteund Stromproduktion. Durch Vor-Ort-Begehung in den Betrieben werden Daten zur Produktion und zu eingesetzten Energiemengen erhoben. In den Bochumer Gewerbegebieten konnten Abwärmepotenziale in den Branchen Metallerzeugung und verarbeitung und in Teilen des Großhandels, in den Kühlung eine Rolle spielt, erhoben werden. Die Abwärme wird oft intern genutzt oder identifizierte Abwärmequellen sind bedingt durch ihre kleinen Leistungen heute noch nicht wirtschaftlich nutzbar. Zur Ermittlung dieses Potenzials wurde folgende Herangehensweise gewählt: Identifizierung von Abwärmequellen Identifizierung von Abwärmesenken Ermittlung von Wärmeleistungen bzw. jährlichen Wärmemengen Kombination von Abwärmequellen mit Wärmesenken Nachweis der Wirtschaftlichkeit und des Einsparpotenzials an Treibhausgasen Durch Zusammenarbeit mit den Unternehmen vor Ort werden wertvolle Erkenntnisse über die aktuelle Situation und die Verbesserungsmöglichkeiten im Betrieb gewonnen. Abschließend lässt sich sagen, dass eine Realisierung von Wärmenetzen, gespeist aus Abwärme von Industriebetrieben, sowohl aus ökonomischen als auch aus ökologischen Gründen sinnvoll ist und als alternatives Wärmeversorgungssystem in Betracht gezogen werden kann. Weiterhin ergeben sich ökologisch sinnvolle Einspareffekte daraus, dass im gleichen Maße wie die Abwärmeleistung zur 15

16 Verfügung gestellt wird, Wärmeerzeugeranlagen bei dem potenziellen Abnehmerkreis substituiert werden können. Es entsteht demnach auf Verbraucherseite kein Schadstoffausstoß mehr. Die gewonnenen wissenschaftlichen und technologischen Erkenntnisse aus den HEATLOOP-Projekten lassen sich auf andere vergleichbare Gewerbegebiete übertragen und liefern einen elementaren Beitrag für weitere ressourcenschonende, energieeffiziente und nachhaltige Vorhaben. 6 Anhang Datenaufnahmebogen Primäre Fragen zur Betriebsanalyse 16

17 17 6 Anhang Primäre Fragen zur Betriebsanalyse: Auf dieser Seite finden Sie einen Überblick über die Fragen. 1. Allgemeines zum Betrieb: - Gebäude: Baujahr, Fläche, Anzahl der Mitarbeiter? Arbeitszeiten/Betriebspläne? - Gebäudedämmung/Sanierung/Maßnahmen zur Energieeinsparung? - Art und Umfang der zu beheizenden/kühlenden Räume? Soll-Temperaturen? - Energiemanagement/Messeinrichtungen vorhanden? - Gesamtenergieverbrauch? Gas? Strom? Wasser? - Sind Ganglinien vorhanden? Tages-, Monats-, Jahresganglinien? - Energiekennzahlen? Bedarf pro Fläche/Produkt/Mitarbeiter? - Sind zukünftige Investitionen im Bereich Energieeinsparungen/Abwärmenutzung geplant? 2. Prozessspezifische Größen der Abwärme: - Potenzialmatrix der Abwärmequellen (s. Anhang) - Lage der Abwärmequellen auf dem Betriebsgelände? - Auskopplungsorte der Abwärme aus der Prozessstrecke? Art und Beschaffenheit? - Wärmespeicher oder puffer vorhanden? - Beschaffenheit des Abwärmeaustritts (Rohr etc.)? Länge? Durchmesser? Wandstärke? Werkstoff? Projektpartner Fraunhofer UMSICHT Ruhr-Universität Bochum - Lehrstuhl Energiesysteme und Energiewirtschaft Stadtwerke Bochum Stadt Bochum Büro für Regionalanalyse Eimer Projekt Consulting Kontakt: Dipl.-Geogr. Simone Krause (Fraunhofer UMSICHT); Tel: simone.krause@umsicht.fraunhofer.de Webseite:

18 18 1. Allgemeines zum Betrieb: 1.1 Baujahr des Gebäudes? Größe des Gebäudes/Anzahl der Mitarbeiter? Arbeitszeiten/Betriebspläne? 1.2 Gebäudedämmung/Sanierung/Maßnahmen zur Energieeinsparung? 1.3 Art und Umfang der zu beheizenden/kühlenden Räume? Soll-Temperaturen? 1.4 Energiemanagementsystem/Messeinrichtungen vorhanden? 1.5 Gesamtenergieverbrauch? Gas? Strom? Wasser? 1.6 Sind Ganglinien vorhanden? Std.?Tag? Wochen? Jahr? 1.7 Energiekennzahlen? Energiebedarf pro Fläche/Produkt/Mitarbeiter? 1.8 Sind zukünftige Investitionen im Bereich Energieeinsparung/Abwärmenutzung geplant?

19 19 2. Prozessspezifische Größen der Abwärme: 2.1 Potenzialmatrix > Bitte auf umliegendem Blatt ausfüllen. Legende: + zutreffend o teils/teils - schwach zutreffend 2.2 Lage der Wärmequellen auf dem Betriebsgelände? 2.3 Auskopplungsorte der Abwärme aus der Prozessstrecke? Art und Beschaffenheit? 2.4 Wärmespeicher oder -puffer vorhanden? 2.5 Beschaffenheit des Abwärmeaustritts (Rohr etc.)? Länge? Durchmesser? Wandstärke? Werkstoff?

20 20 Potenzialmatrix der Abwärmequellen Wie hoch ist die durchschnittliche Abwärmetemperatur (je Quelle)? bis 50 C bis 50 C bis 50 C 50 C bis 150 C 50 C bis 150 C 50 C bis 150 C 150 bis 500 C 150 bis 500 C über 500 C über 500 C Wie hoch ist die Durchschnittsleistung? bis 10 kw 10 kw bis 100 kw 100 kw bis 1 MW 1 MW bis 10 MW Ist der Abwärmestrom kontinuierlich? kontinuierlich diskontinuierlich Wie viele Stunden steht die Abwärme im Jahr zur Verfügung? bis 1500 Std Std. bis 4000 Std Std. bis 6000 Std. über 6000 Std. In welchen Aggregatzuständen wird die Abwärme transportiert? gasförmig flüssig fest Ist es nötig das Abwärmemedium zu reinigen/filtern? Fließgeschwindigkeiten des Abwärmemediums? bis 1 m/s 1 m/s bis 5 m/s 5 m/s bis 20 m/s 20 m/s bis 50 m/s 50 m/s bis 100 m/s über 100 m/s Wird ein Teil der Abwärme selbst genutzt? 0% 0% bis 10% 10% bis 30% 30% bis 60% Legende: + zutreffend o teils/teils - schwach zutreffend