Energetische Detailuntersuchung. Passivhaussiedlung "In der Rehre"

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1 Energetische Detailuntersuchung Passivhaussiedlung "In der Rehre" 38. Sitzung zum Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser: Heizsysteme im Passivhaus statistische Auswertung und Vergleich Ingenieurbüro für Solarsimulation Dipl.-Ing. Christiane Schwenk Wasserweg 8; Kassel

2 Einleitung Die Landeshauptstadt Hannover plant derzeit für das Gebiet "In der Rehre" die Realisierung einer Klimaschutzsiedlung mit rund 300 Wohneinheiten. Um konkrete Aussagen über die Umsetzungsmöglichkeiten der bisher erarbeiteten Planungsergebnisse für eine solche Siedlung zu erhalten, wurden im Auftrag der Leitstelle für Energie und Klimaschutz unterschiedliche Energieversorgungskonzepte am Beispiel von Musterbaugruppen untersucht. Die Studie führt eine vergleichende Untersuchung unterschiedlicher Versorgungsvarianten am Beispiel einer Nachbarschaft mit 26 (bzw. 18) Häusern bestehend aus Reihen-, Doppel- und Einfamilienhäusern in Passivhausbauweise durch. Es werden verschiedene zentrale Konzepte und zwei dezentrale Konzepte bezüglich Investitions-, Betriebs- und Kapitalkosten untersucht. Ferner werden der Primärenergiebedarf und die CO 2 -Emissionen der einzelnen Varianten ermittelt. Abbildung 1: Untersuchte Musterbaugruppe (13 EFH, 8 DHH, 5 RH) Als dezentrale Versorgungskonzepte kommen entweder Kompaktwärmepumpen mit integrierten Lüftungsgeräten in Frage oder Pelletprimäröfen mit Pufferspeicher und (davon unabhängigen) Lüftungsgeräten mit Wärmerückgewinnung. Beide Konzepte werden durch eine thermische Solaranlage zur Warmwasserbereitung ergänzt. Gas oder Heizöl sind als Energieträger für die Wärmeversorgung grundsätzlich nicht vorgesehen, sowie direktelektrische Versorgungsvarianten. Für die zentralen Versorgungsvarianten stehen ein Pelletkessel (mit und ohne Solaranlage) und zwei BHKW-Lösungen (Rapsöl bzw. Gas - nur für die obere Bebauungskante mit 18 Häusern) zur Diskussion. 1. Untersuchte Versorgungsvarianten Der Raumheizbedarf liegt für die Doppelhaushälfte, das Einfamilienhaus und das Reihenendhaus entsprechend dem Passivhauskriterium bei 15 kwh/m²a, der Raumheizbedarf des Reihenmittelhauses ist mit 12 kwh/m²a etwas geringer. Zur Ermittlung des Warmwasserbedarfs wird von einer Belegung mit vier Personen pro Haus unabhängig vom Haustyp -

3 ausgegangen. Pro Person wird mit einem Warmwasserbedarf von 25 Liter pro Tag (bei 60 C) gerechnet. Aufgrund der angenommenen kurzen Leitungswege wird davon ausgegangen, dass eine Warmwasserzirkulation nicht erforderlich ist Einzelversorgung Wärmepumpen-Kompaktgeräte beinhalten ein Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung sowie eine kleine Abluftwärmepumpe für die Restheizung und die Brauchwassererwärmung. Sie stellen eine sehr kompakte Einheit dar, die alle notwendigen Dienstleistungen erfüllen. Für die sommerliche Warmwasserbereitung stehen 5 m² thermische Kollektoren zur Verfügung. Ein üblicherweise empfohlener Erdreichwärmetauscher wird in der vorliegenden Studie weder in der Energiebilanz noch bei der Investition berücksichtigt. Die andere Versorgungsvariante stellt ein sog. Primärofen, der mit Holzpellets beheizt wird, dar. Der Primärofen wird an zentraler Stelle im Haus z. B. im Wohnzimmer aufgestellt und beheizt einen Pufferspeicher im Technikraum. Um nicht auch im Sommer für die Warmwasserbereitung heizen zu müssen, muss der Primärofen durch eine ausreichend große thermische Solaranlage ergänzt werden. Wichtig bei der Wahl des Pelletprimärofen ist es, dass ein sehr hoher Anteil der erzeugten Wärme an den Pufferspeicher geliefert wird und so wenig Wärme wie möglich in den Aufstellungsraum direkt abgegeben wird. Nur dann ist ein guter Nutzungsgrad des Primärofens gewährleistet. Aus sicherheitstechnischen Gründen muss der Pelletofen raumluftunabhängig arbeiten Gemeinschaftliche Versorgung Neben der zentralen Versorgung durch einen Pelletkessel (ohne / mit Solaranlage) wird auch die Versorgung durch zwei verschiedene BHKW-Varianten bzw. einen Gasbrennwertkessel untersucht. Für die obere Bebauungskante kommt aufgrund des bereits vorhandenen Gasanschlusses auch ein Gas-BHKW bzw. Gasbrennwertkessel in Betracht. Die Auslegung des BHKWs (4,7 kw el, 12,5 kw therm ) orientiert sich an der sommerlichen Warmwasserlast. Es wird von 5000 Vollbenutzungsstunden ausgegangen. In der Kostenrechnung werden die Einspeisevergütung für den elektrischen Strom und die Rückvergütung der Mineralölsteuer berücksichtigt. Bezüglich der CO 2 -Emissionen wird eine Gutschrift für die (an anderer Stelle) vermiedenen CO 2 -Emissionen ausgestellt (siehe auch Tabelle 1). Da für die Nachbarschaften kein Gas-BHKW in Frage kommt, wird exemplarisch mit einem BHKW auf Rapsölbasis gerechnet. Die Auslegung des BHKWs (5,0 kw el, 10,3 kw therm ) orientiert sich ebenfalls an der sommerlichen Warmwasserlast. Es wird allerdings von 6000 Vollbenutzungsstunden ausgegangen. Es wird ebenso eine Gutschrift für die vermiedenen CO 2 -Emissionen ausgestellt.

4 obere Bebauungskante Nachbarschaft 18 Häuser 26 Häuser BHKW-Typ Gas-BHKW Pflanzenöl-BHKW Pel / Qtherm 4.7 /12.5 kw 5.0 / 10.3 kw Qtherm [MWh/a] Pel [MWh/a] Eispeisevergütung [ /a] Rückvergütung Mineralölsteuer [ /a] Gutschrift vermiedene CO-2 Emission [t/a] Kosten Tabelle 1: Kenndaten BHKW Für die vorliegende Studie wurden aktuelle Investitionskosten für alle zur Wärmeerzeugung und verteilung erforderlichen Komponenten recherchiert. Die aufgeführten Preise sind entweder Listenpreise oder konkret vorliegende Angebote. Bei der Konzeption der Haustypen wurde streng darauf geachtet, dass die Leitungswege für Warmwasser und Raumwärme möglichst kurz sind und in einer vertikalen Linie liegen. Unabhängig von der Größe des Hauses (bzw. vom Haustyp) sind die Kosten für die jeweilige Versorgungsvariante damit gleich. Es gibt nur wenige Hersteller von Wärmepumpenkompaktgeräten. In der aktuellen Studie wurden die beiden Hersteller berücksichtigt, die die überwiegende Mehrzahl der derzeit installierten Wärmepumpenkompaktgeräte bereitstellen (geschätzt ca. 95%). Da sowohl die technischen Kenndaten als auch die Anschaffungskosten dieser beiden Geräte vergleichsweise stark differieren, wurden in der Variantenrechnung keine Mittelwertbildung vorgenommen, sondern beide Anbieter berücksichtigt. Kompakt-WP teuer günstig Pelletprimärofen mittl. Preis Kompakt-WP mit Lüftung, Holzpelletofen, Verrohrung, Solaranlage Solaranlage, Speicher Platzbedarf ca. 2m² Lüftung Summe Schornstein Platzbedarf ca. 4m² Summe Tabelle 2: Übersicht Kosten dezentrale Versorgungsvarianten, komplett mit Verrohrung und sonstigem Zubehör (inkl. Mwst. und Montage) Bezüglich der Pelletprimäröfen gibt es auf dem deutschsprachige Markt derzeit nur wenige Öfen, die die o. g. Kriterien erfüllen. Die Preisspanne zwischen dem preisgünstigsten Modell ( ) und dem teuersten Modell ( ) ist relativ groß. Da allerdings die Auswahl an Pufferspeichern, Solaranlagen und Lüftungsgeräten mit Wärmerückgewinnung vergleichsweise groß ist (und alle Preisklassen vertreten sind) wird hier von einem mittleren Preis bei der Investition ausgegangen. Tabelle 2 gibt einen Überblick über die Kosten der beiden dezentralen Versorgungsvarianten, Tabelle 3 -

5 Tabelle 5 einen Überblick über die Kenndaten und Kosten für die zentralen Versorgungsvarianten mit Pelletkessel, bzw. BHKW. Reihenhauszeile obere Bebauungskante Nachbarschaft 5 Häuser 18 Häuser 26 Häuser Kessel, Speicher, Zubehör Technikzentrale Pumpe Verrohrung Nahwärmenetz Messen, Steuern, Überwachen Übergabestationen Lüftung mit WRG Summe gesamt Summe pro Haus Kosten Nahwärmenetz: /m verlegtes Rohr Übergabestationen: /Stk (Reihenhaus) /Stk (DHH/EFH) Tabelle 3: Kenndaten Nahwärmenetz Reihenhauszeile obere Bebauungskante Nachbarschaft 5 Häuser 18 Häuser 26 Häuser erforderliche Kesselleistung [kw] Trassenlänge in [m] Netzverlustleistung [kw] Energiebedarf WW + RH [MWh/a] Netzverluste [MWh/a] Energiebedarf gesamt [MWh/a] Annahme Netzverluste: 7 W/m verlegtes Rohr, Betriebszeit: 24 h/d Tabelle 4: Kosten Nahwärmenetz, Wärmeerzeugung und Lüftung (inkl. Mwst.) obere Bebauungskante Nachbarschaft 18 Häuser 26 Häuser BHKW, MSR, Inbetriebnahme, Speicher Spitzenkessel u. weiteres Zubehör Montage Summe Tabelle 5: Kosten BHKW 3. Ergebnisse Es werden Nutz-, End- und Primärenergie und CO 2 -Emissionen für die vorgestellten Versorgungsvarianten ermittelt. Die dargestellten Vollkosten berücksichtigen die Invest-, Betriebs-; Wartungs- und Kapitalkosten. Zur Berechnung der Kapitalkosten wird von einem Zinssatz von 5% ausgegangen und einer Nutzungsdauer von 15 Jahren für alle wärmetechnischen Komponenten. Nur für die Verrohrung des Nahwärmenetzes wird eine Nutzungsdauer von 50 Jahren angesetzt.

6 In Abbildung 2 sind exemplarisch für die Doppelhaushälfte die Ergebnisse für die Varianten der Einzelversorgung dargestellt. Die Ergebniswerte für das Einzelhaus sind geringfügig größer, die für das Reihenmittel- und -endhaus sind um ca. 20% niedriger. Aufgrund der relativ stark voneinander abweichenden Anlagenaufwandszahlen der beiden Wärmepumpenkompaktgeräte sind insbesondere die CO 2 -Emissionen sehr unterschiedlich. Das kostengünstige Kompaktwärmepumpensystem weist um 32% höhere CO 2 -Emissionen auf als das teurere Gerät. In Vergleich zum Primärpelletofen sind die CO 2 -Emissionen des preisgünstigen Gerätes sogar doppelt so hoch Kosten in /a, CO-2 Emission in kg/a K-WP-Viessmann K-WP-AEREX Pellet Betriebskosten Vollkosten CO-2 gesamt Abbildung 2: Ergebnisdaten Einzelversorgung (exemplarich für eine Doppelhaushälfte): Betriebskosten, Vollkosten und CO 2 -Emission pro Haus Die niedrigesten Betriebskosten weist das teure Wärmepumpenkompaktsystem (Aerex) auf. Um etwa jeweils 100 höher liegen die Betriebskosten des preisgünstigen Wärmepumpenkompaktsystems (Viessmann), bzw. der Primärpelletofen. Die niedrigsten Vollkosten liegen beim preisgünstigen Wärmepumpenkompaktsystem, die höchsten beim Pelletprimärofen. Für die Nachbarschaft mit 26 Häusern sind in Abbildung 3 die Ergebnisdaten der gemeinschaftlichen Versorgung mit einem Pelletkessel (und Solaranlage) bzw. einem Rapsöl- BHKW im Vergleich zur Einzelversorgung dargestellt. Die niedrigsten CO 2 -Emissionen weist auch hier der dezentrale Pelletprimärofen auf, dicht gefolgt vom Rapsöl-BHKW auf. Die mit Abstand am höchsten Emissionen weist das preisgünstige Kompaktaggregat auf. Bei etwa gleichen Vollkosten weist dieses Kompaktgerät um 50% höhere CO 2 -Emissionen auf als die zentrale Versorgung mit einem Pelletkessel. In Abbildung 4 sind die Ergebnisse der gemeinschaftlichen Versorgung der oberen Bebauungskante im Vergleich zur Einzelversorgung dargestellt. Bei einer Vollkostenbetrachtung sind der zentrale Pelletkessel und die preisgünstige Kompaktwärmepumpe neben dem Gasbrennwertgerät mit jeweils rund /a die günstigsten Varianten. Hinsichtlich der CO 2 - Emissionen ist die Bandbreite vergleichsweise groß. Am günstigsten schneidet die Einzel-

7 versorgung mit Pellets mit 670 kg/a ab. 40% mehr emittieren der zentrale Pelletkessel und die teure Kompaktwärmepumpe (rund 925 kg/a). Nochmal 30% mehr emittiert die preisgünstige Kompaktwärmepumpe mit 1200 kg/a. Am schlechtesten schneiden die zentralen Versorgungsvarianten mit Gas ab (Gas-Brennwertgerät und Gas-BHKW). Kosten in /a, CO-2-Emission in kg/a Vollkosten pro Haus [ /a] CO-2 Emission pro Haus [kg/a] Investition pro Haus: Rapsöl-BHKW: Pellet zentral: Pellet+Solar zentral: K-WP-min: K-WP-max: Primärofen: Rapsöl-BHKW Pelletkessel Pellet und Solaranlage Kompakt-WPmin Kompakt-WPmax Primärofen Zentrale Versorgung Dezentrale Versorgung Abbildung 3: Gemeinschaftliche Versorgung einer Nachbarschaft mit 26 Häusern Vollkosten pro Haus, CO-2-Emissionen pro Haus Vollkosten pro Haus [ /a] CO-2-Emissionen [kg/a] Investition pro Haus: Gas-BHKW: BW-Kessel: Pellet zentral: Pellet+Solar zentral: K-WP-min: K-WP-max: Primärofen: Gas-BHKW Gas-BW- Pelletkessel Pellet und K-WP min K-WP max Primärofen Kessel Solar Abbildung 4: Gemeinschaftliche Versorgung der oberen Bebauungskante mit 18 Häusern Anders als bei der Betrachtung der oberen Bebauungskante weist bei der Untersuchung einer Reihenhauszeile mit fünf Häusern die gemeinschaftliche Versorgung mit einem zentralen Pelletkessel die niedrigsten Investitions- und Vollkosten auf. Die Betriebskosten liegen hier bei /a und sind damit um 50 niedriger als beim preisgünstigen Wärmepumpenkompaktsystem. Auch hinsichtlich der CO 2 -Emissionen schneidet die gemeinschaftliche

8 Vollkosten in /a, CO-2-Emission in kg/a Vollkosten CO-2 Emission Pellet-Zentral K-WP-min Primärofen Investitionskosten pro Haus: zentraler Pelletkessel: Kompakt-WP-min: Primärofen: Versorgung sehr gut ab. Weniger CO 2 -Emissionen als der zentrale Pelletkessel weist nur noch die Einzelversorgung mit Pellets auf. Abbildung 5: Gemeinschaftliche Versorgung einer Reihenhauszeile mit 5 Häusern 4. Bewertung der Ergebnisse mit Empfehlung Unter dem Aspekt möglichst wenig CO 2 zu emittieren, schneidet die Einzelversorgung mit Holzpellets am besten ab je nach Haustyp liegt der Wert zwischen 660 und 780 kg/a. Allerdings ist diese auch mit knapp mit Abstand auch die teuerste Variante der Wärmeversorgung. Dazu kommt der Aspekt, dass 300 Einzelöfen möglicherweise eine nicht zu unterschätzende Quelle von Feinstaubemissionen darstellen. Außerdem müsste jeder einzelnen Hausbesitzer seine eigenen Pellets bevorraten und seinen eigenen Kessel in mehr oder weniger mühsamer Handarbeit betreiben. An zweiter Stelle hinsichtlich der CO 2 -Emissionen steht die gemeinschaftliche Versorgung mit einem Rapsöl-BHKW oder mit einem Pelletkessel (und Solaranlage), die rund 40% mehr CO 2 emittieren als die Einzelversorgung. Etwa um 100 kg/a höher sind die CO 2 -Emissionen der teuren Kompaktwärmepumpengeräte. Deutlich schlechter schneiden die preisgünstigen Wärmepumpenkompaktgeräte ab, die im Vergleich zum Einzel-Pelletofen etwa die doppelte Menge an Kohlendioxid emittieren, im Vergleich zum teureren Kompaktwärmepumpengerät rund 30% mehr. Hinsichtlich der Investitions- und Betriebskosten unterscheiden sich die zentrale Versorgung mit einem Pelletkessel und die dezentralen, preisgünstigen Wärmepumpenkompaktgeräte nur marginal ( /a pro Haus). Die zentrale Versorgung mit einem Rapsöl-BHKW ist dagegen und rund 400 /a pro Haus teurer.

9 Unter Umwelt- und Kostengesichtspunkte ist deshalb die zentrale Versorgung mit einem Pelletkessel die zu favorisierende Variante. Dagegen spricht allerdings die Erfahrung, dass Baufamilien gerne eigene, dezentrale Lösungen der Wärmeversorgung bevorzugen, um möglichen Problemen bei der zentralen Versorgung aus dem Weg zu gehen Rahmenbedingungen für die Realisierung von Nahwärmenetzen Wärmeversorgungen durch ein Nahwärmenetz werden insbesondere dann akzeptiert, wenn mögliche Hemmnisse (z. B. die Bildung von Gemeinschaftseigentum oder Betreibergemeinschaften, komplizierte Abrechnungsmodelle) von vornherein auf ein Minimum reduziert werden können. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Technikzentralen an einem Ort geplant werden, an dem bereits Gemeinschaftseigentum vorgesehen ist (z. B. PKW-Stellplätze). Weitere wichtige Voraussetzung für die Akzeptanz von Nahwärmenetzen ist, dass Bau und Betrieb der Anlage durch einen seriösen Betreiber erfolgen. Wünschenswert wäre ein Investor, der mit Baubeginn die Kosten übernimmt und anschließend die Anlage im Contracting- Verfahren betreibt Wo sollten Nahwärmenetze realisiert werden? Nahwärmenetze sollten an den Orten im Baugebiet vorgesehen werden, an denen die Bebauung möglichst dicht ist, so dass die Verteilverluste möglichst klein sind. Es bieten sich unter diesem Aspekt die zusammenhängenden Reihenhauszeilen in den Nachbarschaften an und die obere Bebauungskante mit ihrer verdichteten Bauweise. Für eine Reihenhauszeile mit 5 Häusern können bei gemeinschaftlicher Versorgung rund 2 t CO 2 pro Jahr (bzw. 5,4 t/a bei der oberen Bebauungskante) gegenüber einer dezentralen Einzellösung mit den preisgünstigen Kompaktwärmepumpen vermieden werden. Da zudem davon auszugehen ist, das in naher Zukunft, die Nutzungsgrade von Pelletkesseln deutlich steigen werden, da auch hier die Brennwertnutzung immer mehr möglich sein wird (und damit Nutzungsgrade von ca % realistisch werden), wird diese Einsparung gegenüber dem preisgünstigen Wärmepumpenkompaktgerät noch größer werden. Werden an der oberen Bebauungskante zusätzliche Einsparpotentiale hinsichtlich des Nahwärmenetzes realisiert, beispielsweise eine Optimierung der Trassenführung möglichst dicht an der Gebäudekante entlang oder eine Optimierung der Pumplaufzeiten könnten weitere 1,8 t CO 2 pro Jahr weniger emittiert werden.

10 5. Fazit Nahwärmenetze weisen für das Bebauungsgebiet "In der Rehre" sowohl aus Kostengründen als auch unter Umweltgesichtspunkten Vorteile auf. Allerdings wird eine Akzeptanz solcher Netze nur dann gegeben sein, wenn die Rahmenbedingungen "stimmen", d. h. wenn Schwierigkeiten, wie sie bei der Bildung von Gemeinschaftseigentum und Betreibergemeinschaften oder bei der Abrechnung auftreten können, von vornherein auf ein Minimum reduziert werden können, z. B. durch professionelle Contracting-Partner, und wenn die Häuser einer Nachbarschaft in einem Zuge realisiert werden. Dort, wo die Entwicklung des Baugebietes Schritt für Schritt durch private Investoren / Baufamilien vollzogen wird, ist die dezentrale Wärmeversorgung von Vorteil. Als besonders geeignet für die gemeinschaftliche Versorgung stellen sich die Häuser an der oberen Bebauungskante und die Reihenhäuser innerhalb der einzelnen Nachbarschaften dar. Bei der Entwicklung der Nachbarschaften selbst sollte die Wahl der Wärmeerzeuger freigestellt bleiben, auch wenn eine zentrale Versorgung aus energetischer Sicht und Kostengründen durchaus sinnvoll ist. Vermutlich treten hier zu große Akzeptanzschwierigkeiten auf, es sei denn, es finden sich von vornherein Bau- oder Projektgruppen, die eine gemeinschaftliche Versorgung bewusst wünschen. Nicht zuletzt ist die Wahl der Wärmeversorger auch von den Kompensationskosten für die verbleibenden "Restemissionen" abhängig. Je höher die Kosten für die Kompensation ausfallen, umso stärker wird das Bestreben sein, in eine möglichst CO 2 -arme Wärmeversorgung zu investieren.