IfEInstitut für. Kommunales Gesamtenergiekonzept. für die Gemeinde Winkelhaid. Betrachtete Liegenschaften: - Grundschule Penzenhofen.

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1 Rationelle Energiewandlung Erneuerbare Energien Energieeffizienz Institut für Energietechnik an der Kommunales Gesamtenergiekonzept für die Gemeinde Winkelhaid Betrachtete Liegenschaften: - Grundschule Penzenhofen - Sportpark - Gemeindekindergarten - ev. Kindergarten

2 Rationelle Energiewandlung Erneuerbare Energien Energieeffizienz Institut für Energietechnik an der Kommunales Gesamtenergiekonzept Gemeinde Winkelhaid Auftraggeber: Gemeinde Winkelhaid Penzenhofener Straße Winkelhaid Auftragnehmer Institut für Energietechnik GmbH an der Hochschule Amberg-Weiden Kaiser-Wilhelm-Ring Amberg Bearbeitungszeitraum: Mai 2011 Juli 2011

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Beschreibung der energetischen Ausgangssituation Die thermische Energieversorgung der betrachteten Liegenschaften Die elektrische Energieversorgung der betrachteten Liegenschaften Die CO 2 -Bilanz im Ist-Zustand Dimensionierung innovativer Energieversorgungsvarianten Der Wärmebedarf in den Liegenschaften Die Nahwärmeverbundlösung Der Gesamtwärmebedarf und die thermische Jahresdauerlinie im Nahwärmeverbund Die Energieversorgungsvarianten Variante 1.0: Dezentrale Energieversorgung Variante 2.1: Erdgas-BHKW (50 kwel) mit Spitzenlastkessel Variante 2.2: Biomethan-BHKW (50 kwel) mit Spitzenlastkessel Variante 2.3: Erdgas-BHKW (12 kwel) mit Spitzenlastkessel Variante 2.4: Biomethan-BHKW (12 kwel) mit Spitzenlastkessel Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Die wirtschaftlichen Grundannahmen Die Investitionskostenprognose Die jährlichen Ausgaben Die jährlichen Einnahmen Die Wärmegestehungskosten Die Sensitivitätsanalyse im Nahwärmeverbund Mögliche Förderungen durch den Aufbau eines Nahwärmeverbundes Seite 3 von 63

4 5 Die CO 2 -Bilanz der verschiedenen Varianten Überprüfung des Anschlusses des ev. Kindergartens an den Nahwärmeverbund Zusammenfassung Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang Seite 4 von 63

5 1 Einleitung Die vorliegende Arbeit beschreibt die Ausarbeitung eines Gesamtenergiekonzeptes für die Gemeinde Winkelhaid. Die Basis hierfür bildet eine umfassende Bestandsaufnahme der betrachteten Liegenschaften, in welcher die thermische und elektrische Energieversorgung, sowie der Primärenergieumsatz einschließlich CO2-Ausstoß dargestellt werden. In einem nächsten Schritt wird eine Nahwärmeverbundlösung dimensioniert, welche ausgehend von einer Heizzentrale im Sportpark, die Grundschule und den Gemeindekindergarten im definierten Gebietsumgriff versorgen. Hierbei wird eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung mit Investitionskostenprognose, Vollkostenrechnung und Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Eine künftige CO2-Bilanz der verschiedenen Energieversorgungskonzepte dokumentiert die CO2- Einsparpotentiale. Der mögliche Anschluss des ev. Kindergarten an den Nahwärmeverbund wird in einem separaten Kapitel ausgearbeitet. Zudem wird die dezentrale Energieversorgung aller Liegenschaften betrachtet, welche die Referenz für die Bewertung des Nahwärmeverbundes im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und CO 2 -Ausstoß darstellt. Folgende Liegenschaften werden im Rahmen dieser Studie betrachtet: - Grundschule Penzenhofen - Sportpark - Gemeindekindergarten - Ev. Kindergarten Seite 5 von 63

6 Die Bewertung unterschiedlicher Varianten stützt sich auf die kalkulierten Energiebedarfsdaten und beinhaltet eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung unter Berücksichtigung der aktuellen Gesetzeslage sowie eine CO2-Bilanz. Das Ergebnis liefert somit eine umfangreiche Informationsbasis für die Entscheidung über das künftige Energiesystem. Die dargestellten Energiesysteme werden mit einer Standardvariante verglichen, die sowohl hinsichtlich der Wärmegestehungskosten, als auch bezüglich der CO2-Bilanz die Referenz darstellt. Die Dimensionierung der einzelnen Wärmeversorgungssysteme basiert auf Abschätzungen anhand der bisherigen Heizsysteme, bzw. des bisherigen Brennstoffbedarfs und ersetzt nicht eine technische Detailplanung. Sowohl der Wärmebedarf, als auch der thermische Spitzenleistungsbedarf kann von den kalkulierten Werten abweichen. In diesem Planungsstadium kann der Aufwand für die Errichtung der Wärmeversorgungsstruktur nur näherungsweise festgelegt werden, wodurch die kalkulierten Kosten von den realen Kosten abweichen können. Die im Rahmen der vorliegenden Machbarkeitsstudie angenommenen Nettoinvestitionskosten basieren ebenso wie die Brennstoff- und Betriebskosten auf durchschnittlichen Marktpreisen und nicht auf konkreten Angebotsvorlagen. In der tatsächlichen Umsetzung, die von einer Ausschreibung eingeleitet wird, können daher die Preise von den hier kalkulierten abweichen. Vor diesem Hintergrund werden für die unterschiedlichen Varianten Sensitivitätsanalysen erarbeitet, welche den Einfluss einzelner Parameter auf die spezifischen Wärmegestehungskosten darstellen. Als Datengrundlage wurden die zur Verfügung gestellten Unterlagen und Aufzeichnungen, sowie bei einem Vor- Ort Termin aufgenommene Daten verwendet. Seite 6 von 63

7 2 Beschreibung der energetischen Ausgangssituation In diesem Kapitel wird die energetische Ausgangssituation der Liegenschaften in einem künftigen Nahwärmeverbund untersucht. Für die Anbindung an einen möglichen Nahwärmeverbund werden die nachfolgenden Liegenschaften betrachtet: - Grundschule Penzenhofen - Sportpark - Gemeindekindergarten - Ev. Kindergarten Um neue Energieversorgungskonzepte entwickeln zu können, ist zunächst eine genaue Kenntnis des Bedarfs an thermischer und elektrischer Energie im Verlauf eines Jahres erforderlich. Hierbei werden Verbrauchsdaten verwendet, die vom Auftraggeber für die Jahre 2007 bis 2010 zur Verfügung gestellt wurden. Zudem werden Daten verwendet, die bei einem Vor-Ort Termin erfasst wurden. Seite 7 von 63

8 2.1 Die thermische Energieversorgung der betrachteten Liegenschaften Schule Penzenhofen Die Wärmeversorgung der Grundschule erfolgt durch zwei Heizölkessel mit einer thermischen Leistung von 60 kw und ca. 72 kw, die in einer Heizzentrale im Kellergeschoss des Gebäudes untergebracht sind. Der Heizöltank befindet sich neben der Heizzentrale. In der Heizungsverteilung sind ungeregelte Pumpen installiert. Die Wärmeübergabe in den Gebäuden erfolgt durch Heizkörper. Der witterungsbereinigte Heizölverbrauch beläuft sich in Summe auf rund Liter pro Jahr. Sportpark Die Beheizung des Sportparks erfolgt durch einen Erdgaskessel (Buderus GE 515) mit einer thermischen Nennwärmeleistung von 400 kw. Der Kessel wurde im Jahr 2006 nach einem Wasserschaden in der Heizzentrale installiert. Der Brenner wurde hierbei vom alten Kessel übernommen und stammt aus dem Jahr Die Wärmeübergabe im Sportheim erfolgt durch Heizkörper. Für die Wärmeversorgung der Sporthalle sind zwei Lüftungsanlagen aus dem Jahr 1976 mit einer Umwälzung von je m 3 /h installiert. Zur Bevorratung des ganzjährig benötigten Warmwassers (Duschen) ist ein LogaLux LT Speicher in der Heizzentrale installiert. Der witterungsbereinigte Erdgasverbrauch beläuft sich jährlich auf rund kwh Hi. Seite 8 von 63

9 Gemeindekindergarten Die Wärmeversorgung des Gemeindekindergartens erfolgt durch einen Erdgaskessel mit einer thermischen Nennwärmeleistung von 46 kw. Der Kessel weist ein Alter von rund 20 Jahren auf. Die Wärmeübergabe erfolgt größtenteils durch eine Fußbodenheizung. Der witterungsbereinigte Erdgasverbrauch beläuft sich jährlich auf rund kwh Hi. Ev. Kindergarten Der ev. Kindergarten ist nahezu baugleich dem Gemeindekindergarten. Die Wärmeversorgung erfolgt ebenfalls durch einen Erdgaskessel mit einer thermischen Nennwärmeleistung von 46 kw. Der Kessel weist ein Alter von rund 20 Jahren auf. Die Wärmeübergabe erfolgt größtenteils durch eine Fußbodenheizung. Der witterungsbereinigte Erdgasverbrauch beläuft sich jährlich auf rund kwh Hi. Zusammenfassung Im Ist- Zustand werden sowohl der Sportpark, als auch die beiden Kindergärten mit Erdgas versorgt. Die Beheizung der Schule erfolgt durch Heizöl. In Tabelle 1 ist der witterungsbereinigte Verbrauch für die thermische Versorgung zusammenfassend dargestellt. In Summe werden jährlich rund kwh an fossilem Brennstoff für die Raumwärme- und Warmwasserversorgung in den Gebäuden verbraucht. Tabelle 1: Der witterungsbereinigte Energieverbrauch für die Wärmeversorgung wittber. Energieverbrauch Grundschule kwh Heizöl Sportpark kwh Hi Erdgas Gemeindekindergarten kwh Hi Erdgas ev. Kindergarten kwh Hi Erdgas Seite 9 von 63

10 2.2 Die elektrische Energieversorgung der betrachteten Liegenschaften In Tabelle 2 ist der mittlere Stromverbrauch der einzelnen Liegenschaften in den Jahren aufgeführt. Der Stromverbrauch der Grundschule im Jahr 2009 wurde in der Bilanz nicht berücksichtigt, da aufgrund eines defekten Durchlauferhitzers in diesem Jahr weniger Strom bezogen wurde. In Summe beläuft sich der gesamte Stromverbrauch in den betrachteten Liegenschaften auf rund kwh. Tabelle 2: Der mittlere Stromverbrauch der einzelnen Liegenschaften Stromverbrauch [kwh/a] Grundschule Sportpark Gemeindekindergarten ev. Kindergarten Summe Seite 10 von 63

11 Stromverbrauch [kwh] mittlere el. Leistung [kw] Gesamtenergiekonzept für die Gemeinde Winkelhaid Der Stromverbrauch im Sportpark In Abbildung 1 ist zusätzlich der monatliche Stromverbrauch im Sportpark des Jahres 2007 aufgeteilt nach Bezug zu Hochtarif und Niedertarif dargestellt. Es ist ersichtlich, dass der Stromverbrauch in den Wintermonaten wesentlich höher ist. Nach Auskunft der Gemeinde Winkelhaid kann dies insbesondere mit dem Betrieb des Flutlichts und dem höheren Beleuchtungsbedarf begründet werden. Zudem wird die mittlere elektrische Leistung aufgeführt, die für die Auslegung von BHKW- Varianten im Rahmen der Wirtschaftlichkeitsberechnung (siehe Kapitel 4) benötigt wird , , , , , ,0 0 0,0 Hochtarif Niedertarif mittlere Leistung Abbildung 1: Der monatliche Strombezug und die mittlere elektrische Leistung im Sportpark Seite 11 von 63

12 2.3 Die CO 2 -Bilanz im Ist-Zustand Aus den thermischen und elektrischen Bedarfsdaten können für die einzelnen Liegenschaften der Primärenergieumsatz und der CO2-Ausstoss bestimmt werden. Der Primärenergieumsatz gibt in diesem Fall an, wie viel fossile Energie zur Deckung des Energiebedarfs aufgewendet werden muss. Im Primärenergiebedarf enthalten ist neben dem Energieinhalt des jeweiligen Energieträgers auch die fossile Energie, die für die Bereitstellung dieses Energieträgers benötigt wurde. Im Fall von Erdgas umfasst dies z.b. die Gewinnung, die Aufbereitung und den Transport bis zum Verbraucher. Die CO2-Emissionen umfassen ebenfalls die gesamte Prozesskette, d.h. neben den CO2- Emissionen aus der Verbrennung von Erdgas werden auch die CO2-Emissionen aus der Bereitstellung des Brennstoffs berücksichtigt. Der Primärenergieumsatz und die CO2- Emissionen werden mit Hilfe des Programmes GEMIS (Öko-Institut e.v.) berechnet und sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt. Strom Heizöl Erdgas CO 2 Äquivalent [g/kwh end ] kumulierter Energieaufwand [kwh prim /kwh end ] 2,61 1,11 1,12 Der Primärenergieumsatz und die CO2-Emissionen werden anhand der witterungsbereinigten thermischen und der mittleren elektrischen Verbrauchswerte der Jahre berechnet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt. Der jährliche Primärenergieumsatz beläuft sich auf rund kwh, der CO2- Ausstoß beträgt in Summe ca. 304 Tonnen pro Jahr. Tabelle 3: Der jährliche Primärenergieumsatz und die CO 2-Bilanz in den einzelnen Liegenschaften Brennstoff Verbrauch Stromverbrauch Primärenergie CO 2 -Ausstoß [kwh/a] [kwh/a] [kwh prim /a] [t/a] Grundschule Heizöl Sportpark Erdgas Gemeindekindergarten Erdgas ev. Kindergarten Erdgas Seite 12 von 63

13 3 Dimensionierung innovativer Energieversorgungsvarianten Im Rahmen des vorliegenden Energiekonzeptes werden verschiedene neue Varianten zur Energieversorgung entworfen und auf ihre Wirtschaftlichkeit und ihre CO2-Bilanz hin untersucht. Das Ziel dabei ist die Entwicklung eines ökonomisch und ökologisch optimierten Energieversorgungssystems. Die Auslegung der verschiedenen Energieversorgungsvarianten erfolgt auf Basis der Wärmebedarfsdaten für thermische Energie. Die Spitzenleistung wird ausgehend von Kennzahlen für Kesselvollbenutzungsstunden abgeschätzt. Ausgehend vom jährlichen Wärmebedarf wird für die Nahwärmeverbundlösung zwischen den Liegenschaften Grundschule, Sportpark und Gemeindekindergarten die geordnete Jahresdauerlinie des thermischen Energiebedarfs erstellt, welche das zentrale Instrument für den Anlagenplaner ist. Die Jahresdauerlinie gibt an, wie viele Stunden pro Jahr welche thermische Leistung benötigt wird. Als Referenzvariante wird die Installation moderner, dezentraler Feuerungsanlagen in den verschiedenen Gebäuden betrachtet. Hierbei wird auch die geplante Installation eines Erdgas-BHKW im Sportpark berücksichtigt. Aufbauend auf der geordneten Jahresdauerlinie des Wärmebedarfs in den Liegenschaften werden verschiedene Energieversorgungsvarianten dimensioniert, die Laufzeiten kalkuliert, sowie die Energieumsätze berechnet. Seite 13 von 63

14 3.1 Der Wärmebedarf in den Liegenschaften Der Wärmebedarf in den Liegenschaften ergibt sich aus den Brennstoffverbräuchen und dem Nutzungsgrad der Heizungsanlage. Dieser ist vom eingesetzten System und dem Alter der Heizungsanlage abhängig. In Tabelle 4 sind die Liegenschaften und der jährliche Wärmebedarf dargestellt. Tabelle 4: Der witterungsbereinigte Wärmebedarf in den Liegenschaften Wärmebedarf [kwh/a] Sportpark Schule Gemeindekindergarten ev. Kindergarten Summe In Summe ergibt sich ein jährlicher witterungsbereinigter Wärmebedarf von rund kwh. Seite 14 von 63

15 3.2 Die Nahwärmeverbundlösung Im Rahmen dieses Kapitels wird ein Wärmeverbund der folgenden drei Liegenschaften betrachtet: Grundschule Sportpark Gemeindekindergarten Die Anbindung des ev. Kindergarten wird aufgrund der großen Entfernung in diesem Kapitel nicht mit berücksichtigt. Eine überschlägige Berechnung der Kosten, die mit der Anbindung dieser Liegenschaften verbunden wären, werden in Kapitel 6 ausgearbeitet. Die Heizzentrale für den möglichen Verbund ist im Heizraum des Sportparks vorgesehen. Der Heizraum weist eine ausreichend große Grundfläche auf. Zudem ist der Sportpark der größte thermische Verbraucher aller im Rahmen dieser Studie betrachteten Liegenschaften. Da der Großteil der Wärmeversorgung im Sportpark durch die beiden Lüftungsanlagen erfolgt, wird hier eine entsprechend hohe thermische Leistung benötigt. Zudem ist der Stromverbrauch im Sportpark, im Vergleich zu den anderen betrachten Liegenschaften, am höchsten. Dies hat insbesondere durch die Stromeigennutzung mit Erdgas-BHKW positive Effekte auf die Wirtschaftlichkeit dieser Anlagen. Seite 15 von 63

16 Die Auslegung der verschiedenen Energieversorgungsvarianten erfolgt auf Basis der Wärmebedarfsdaten für thermische Energie. Die Spitzenleistung wird ausgehend von Kennzahlen für Kesselvollbenutzungsstunden prognostiziert. Ausgehend vom jährlichen Wärmebedarf wird für die Nahwärmeverbundlösung eine geordnete Jahresdauerlinie des thermischen Energiebedarfs erstellt, welche das zentrale Instrument für den Anlagenplaner ist. Die Jahresdauerlinie gibt an, wie viele Stunden pro Jahr welche thermische Leistung benötigt wird. Aufbauend auf der geordneten Jahresdauerlinie des Wärmebedarfs in den Liegenschaften werden verschiedene Energieversorgungsvarianten dimensioniert, die Laufzeiten kalkuliert, sowie die Energieumsätze berechnet. Im Rahmen dieser Studie werden folgende Energieversorgungsvarianten ausgearbeitet: Variante 1.0: Dezentrale Energieversorgung: Erdgas-BHKW (12 kw el ) und Spitzenlastkessel in Sportpark; Erdgas-Brennwertkessel im Gemeindekindergarten; Heizölkessel in Grundschule Variante 2.1: Erdgas-BHKW (50 kw el ) im Grundlastbetrieb mit Spitzenlastkessel Variante 2.2: Biomethan-BHKW (50 kw el ) im Grundlastbetrieb mit Spitzenlastkessel Variante 2.3: Erdgas-BHKW (12 kw el ) im Grundlastbetrieb mit Spitzenlastkessel Variante 2.4: Biomethan-BHKW (12 kw el ) im Grundlastbetrieb mit Spitzenlastkessel Seite 16 von 63

17 Beim Einsatz von motorischen Blockheizkraftwerken muss berücksichtigt werden, dass diese wartungsintensiv sind. Je nach Hersteller und Einsatzbedingungen des BHKW ist nach etwa Betriebsstunden eine Motorüberholung bzw. ein Austausch des Motors erforderlich. Bei Erdgas- BHKW können je nach Hersteller und Größe der Anlage längere Intervalle vorliegen. Blockheizkraftwerke sollen im Dauerbetrieb zur Grundlastversorgung eingesetzt werden, ein häufiges Takten - Starten und Stoppen des Motors ist zu vermeiden. Um einen optimierten Dauerbetrieb zu gewährleisten ist ein entsprechend großer Pufferspeicher vorzusehen. Beim Einsatz von Erdgas-BHKW wird der vom BHKW erzeugte Strom bei Bedarf im eigenen Netz verwendet. Demzufolge kann der Strombezug aus dem öffentlichen Netz verringert werden. Bei Stromüberproduktion wird dieser in das öffentliche Netz eingespeist und nach dem KWK-G vergütet. Da jedoch, im Gegensatz zur Einspeisevergütung durch das EEG, keine festgeschriebene Einspeisevergütung durch das KWK-G besteht, muss anhand der aktuellen Vergütung und den Stromkosten abgewogen werden, ob eine Stromeinspeisung oder die Stromeigennutzung wirtschaftlicher ist. Weitere Informationen zur Einspeisung nach dem Kraft-Wärme-Kopplung Gesetz finden sich in Kapitel 4.1. Für den Betrieb eines Biomethan- BHKW mit Anspruch auf EEG Vergütung muss die energetisch gleichwertige Menge an aufbereitetem Biogas zuvor eingekauft werden. Biomethan wird an so genannten Einspeiseanlagen erzeugt, aufbereitet und in das Erdgasnetz eingespeist. Der Bezug in der Liegenschaft erfolgt somit aus dem Erdgasnetz. Die Technik des eingesetzten BHKW entspricht dem eines Erdgas-BHKW. Seite 17 von 63

18 In Abbildung 2 ist die Nahwärmeverbundlösung der Energieversorgungsvarianten 2.X mit einem möglichen Verlauf der Leitungen dargestellt. Nach Auskunft der Gemeinde wäre eine Verlegung der Wärmeleitung auf dem Grundstück der Kirche denkbar. Hier könnte die Verlegung in unbefestigtem Untergrund erfolgen, was in deutlich geringeren Investitionskosten resultiert. Abbildung 2: Der Nahwärmeverbund mit möglichem Verlauf der Wärmeleitung Seite 18 von 63

19 In Tabelle 5 sind die Kenndaten des Nahwärmenetzes dargestellt. Die zu installierende Spitzenleistung beträgt rund 480 kw. Die Wärmeleitung hat eine Trassenlänge von etwa 218 Meter, die spezifische Wärmebelegung beläuft sich auf etwa kwh pro Meter und Jahr. Der Netzverlust beläuft sich mit jährlich rund kwh auf ca. 7 % des Nutzwärmebedarfes in den Liegenschaften. Da die künftigen Wärmeerzeuger in der Heizzentrale im Sportpark installiert werden, ist auch die Wärmebelegung ohne den Wärmebedarf des Sportparks dargestellt. Diese beläuft sich auf rund kwh pro Meter und Jahr. Tabelle 5: Die Kenndaten des kommunalen Nahwärmeverbundes Trassenlänge 218 m Maximale Netzleistung ab HZ 480 kw Nahwärme ab HZ kwh/a Nutzwärme kwh/a Verlustwärme kwh/a Netzverlust 7 % Wärmebelegung mit Sportpark kwh/m*a Wärmebelegung ohne Sportpark kwh/m*a Die Spitzenleistung wurde ausgehend von Kennzahlen für Kessel-Vollbenutzungsstunden ermittelt. Dabei wurde berücksichtigt, dass aufgrund der Warmluftheizung in der Turnhalle kurzfristig eine hohe Heizleistung im Wärmeregister der Lüftungsanlage benötigt werden kann. Durch eine geeignete Regelung sollte vermieden werden, dass sowohl die Turnhalle, als auch die Grundschule zum gleichen Zeitpunkt stark beheizt werden müssen. Kann dies nicht vermieden werden, sollte die maximale Heizleistung dementsprechend höher gewählt werden. Seite 19 von 63

20 monatlicher Wärmebedarf [kwh] Gesamtenergiekonzept für die Gemeinde Winkelhaid 3.3 Der Gesamtwärmebedarf und die thermische Jahresdauerlinie im Nahwärmeverbund Der jährliche Gesamtwärmebedarf einer Nahwärmeverbundlösung ergibt sich aus dem Wärmebedarf der Abnehmer und dem Netzverlust. Mit einem Wärmebedarf von rund kwh und einem Netzverlust von etwa kwh ergibt sich ein jährlicher Gesamtwärmebedarf von rund kwh. Mit Hilfe der so genannten Gradtagmethode der VDI-Richtlinie 2067 können die monatlichen Bedarfswerte der Grundschule und des Gemeindekindergartens vom Jahreswärmebedarf abgeleitet werden. Die Grundidee der Gradtag- Methode basiert auf empirisch ermittelten Monatsbedarfswerten und deren Anteil am Jahresbedarf. Für die Berechnung des monatlichen Wärmebedarfs im Sportpark konnte auf monatliche Erdgasverbräuche zurückgegriffen werden. In Abbildung 3 ist der monatliche Gesamtwärmebedarf der Nahwärmeverbundlösung dargestellt Netzverlust Nutzwärmebedarf Abbildung 3: Der monatliche Gesamtwärmebedarf der Nahwärmeverbundlösung Seite 20 von 63

21 therm. Leistungsbedarf [kw] Gesamtenergiekonzept für die Gemeinde Winkelhaid Anhand des monatlichen Wärmebedarfs wird die geordnete Jahresdauerlinie des thermischen Energiebedarfs erstellt. Die geordnete Jahresdauerlinie ist das zentrale Instrument für den Anlagenplaner. Die Fläche unter der Jahresdauerlinie entspricht dem Jahresnutzwärmebedarf. Idealerweise sollten sich die meist modular aufgebauten, d.h. in Grund - und Spitzenlastabdeckung unterteilten Heizanlagensysteme der Jahresdauerlinie annähern. Werden Wärmeerzeuger in der Grafik flächendeckend eingetragen, kann auf die Laufzeiten und den Anteil an der Jahreswärmebereitstellung der einzelnen Wärmeerzeuger geschlossen werden. Die zu installierende Spitzenleistung richtet sich nach Kennwerten der Kesselvollbenutzungsstunden und dem Wärmebedarf. Dies beruht nicht auf einer Heizlastrechnung und ersetzt nicht die technische Detailplanung. In Abbildung 4 ist die geordnete Jahresdauerlinie des Gesamtwärmebedarfs in der Nahwärmeverbundlösung dargestellt Jahresstunden [h] Abbildung 4: Die thermische Jahresdauerlinie des Nahwärmeverbundes Seite 21 von 63

22 3.4 Die Energieversorgungsvarianten Variante 1.0: Dezentrale Energieversorgung Im Rahmen dieses Kapitels wird die dezentrale Wärmeversorgung der Liegenschaften Grundschule, Gemeindekindergarten und Sportpark betrachtet. Es wird folglich in diesem Kapitel kein Wärmeverbund untersucht. Dies stellt die Referenzvariante dar, um anschließend die Wirtschaftlichkeit und den CO 2 -Ausstoß des Nahwärmeverbundes bewerten zu können. Grundschule: Heizölkessel Als dezentrale Energieversorgung wird davon ausgegangen, dass in der Grundschule ein moderner Heizölkessel installiert wird. Der witterungsbereinigte Heizölverbrauch beläuft sich jährlich auf rund Liter. Somit können durch die Installation eines modernen, deutlich effizienteren Kessels im Vergleich zum Ist-Zustand rund Liter an Heizöl eingespart werden. Gemeindekindergarten: Erdgas-Brennwertkessel Im Gemeindekindergarten wird die Installation eines modernen Erdgas-Brennwertkessels betrachtet. Der witterungsbereinigte Erdgasverbrauch beläuft sich jährlich auf rund kwh Hi. Somit können durch die Installation eines modernen, deutlich effizienteren Kessels mit Brennwertnutzung im Vergleich zum Ist-Zustand rund kwh an Erdgas eingespart werden. Seite 22 von 63

23 monatlicher Wärmebedarf [kwh] Gesamtenergiekonzept für die Gemeinde Winkelhaid Sportpark: Erdgas-BHKW mit Erdgas-Spitzenlastkessel Die Beheizung des Sportparks erfolgt derzeit durch einen Erdgaskessel mit einer thermischen Nennwärmeleistung von 400 kw. Nach Auskunft der Gemeinde Winkelhaid ist in naher Zukunft jedoch die Installation eines Erdgas-BHKW als Grundlastaggregat vorgesehen. Aus diesem Grund wird im Rahmen dieser Studie untersucht, ob die Installation eines BHKW nur für die Wärmeversorgung des Sportparks aus ökologischer und ökonomischer Sicht sinnvoll ist. Um dies bewerten zu können, wurde für den Sportpark separat der monatliche Wärmebedarf ausgearbeitet und darauf basierend die thermische Jahresdauerlinie ermittelt. In Abbildung 5 ist der monatliche Wärmebedarf im Sportpark dargestellt. In Summe beläuft sich der jährliche Gesamtwärmebedarf auf rund kwh. Hiervon entfallen rund kwh/a für die Warmwasserbereitung. Unter der Annahme, dass der Warmwasserbedarf über das Jahr hinweg konstant ist, beläuft sich der monatliche Warmwasserbedarf folglich auf rund kwh Warmwasserbedarf Nutzwärmebedarf Abbildung 5: Der monatliche Gesamtwärmebedarf im Sportpark Seite 23 von 63

24 therm. Leistungsbedarf [kw] Gesamtenergiekonzept für die Gemeinde Winkelhaid Um eine Vergleichbarkeit der Installation eines Erdgas-BHKW nur für die Wärmeversorgung des Sportparks und der Wärmeversorgung durch ein BHKW im Nahwärmeverbund gewährleisten zu können, wurden alle Varianten unter den gleichen Rahmenbedingungen berechnet. Aus diesem Grund wird im Rahmen der dezentralen Energieversorgung im Sportpark das gleiche BHKW wie in Kapitel im Nahwärmeverbund eingesetzt. Die Spitzenleistung im Sportpark (400 kw) wurde nicht mit Kennzahlen für Kesselvollbenutzungsstunden berechnet, sondern entspricht hierbei der im Ist-Zustand installierten Leistung. Das Erdgas-BHKW verfügt über eine thermische Leistung von 28 kw und eine elektrische Leistung von 12 kw. Zur Spitzenlastabdeckung wird ein Erdgaskessel mit einer Nennwärmeleistung von 400 kw eingesetzt. Der bestehende Erdgaskessel im Sportpark könnte somit als Spitzenlastkessel genutzt werden. Es wird ein Pufferspeicher vorgesehen, um Schwankungen im Wärmebedarf auszugleichen Erdgaskessel 400 kw th Erdgas-BHKW 12 kw el ; 28 kw th Jahresstunden [h] Abbildung 6: Sportpark: Die thermische Jahresdauerlinie Erdgas BHKW Erdgaskessel Wärmeerzeuger 1 2 Nennwärmeleistung [kw] Jahresvollbenutzungsstunden [h] erzeugte Jahreswärmemenge [kwh/a] Anteil an Wärmeerzeugung [%] erzeugte Strommenge [kwh el /a] Verbrauch an Erdgas [kwh Hi /a] Seite 24 von 63

25 Das Erdgas-BHKW stellt mit Vollbenutzungsstunden rund kwh/a an thermischer Energie bereit. Durch die elektrische Leistung von 12 kw werden pro Jahr rund kwh an elektrischer Energie erzeugt, welche derzeit vorrangig im eigenen Hausnetz genutzt werden könnte. Anhand des Stromverbrauches und Auswertung der mittleren elektrischen Leistung kann ermittelt werden, dass derzeit rund 70 Prozent des erzeugten Stroms direkt im Sportpark verbraucht werden können. Ob zukünftig eine Einspeisung in das öffentliche Netz oder die Stromeigennutzung sinnvoller ist, muss anhand der aktuellen Strompreise abgewogen werden. Insgesamt beläuft sich der jährliche Erdgasverbrauch bei Variante 2.3 auf rund kwhhi. Seite 25 von 63

26 therm. Leistungsbedarf [kw] Gesamtenergiekonzept für die Gemeinde Winkelhaid Variante 2.1: Erdgas-BHKW (50 kwel) mit Spitzenlastkessel Bei der Variante 2.1 wird zur Grundlastabdeckung im Nahwärmeverbund ein Erdgas-BHKW mit einer thermischen Leistung von 90 kw und einer elektrischen Leistung von 50 kw eingesetzt. Zur Spitzenlastabdeckung wird ein Erdgaskessel mit einer Nennwärmeleistung von 400 kw eingesetzt. Der bestehende Erdgaskessel im Sportpark könnte somit als Spitzenlastkessel genutzt werden. Es wird ein Pufferspeicher vorgesehen, um Schwankungen im Wärmebedarf auszugleichen. Abbildung 7 zeigt die Jahresdauerlinie mit den installierten Wärmeerzeugern Erdgaskessel 400 kw th Erdgas-BHKW 50 kw el ; 90 kw th Jahresstunden [h] Abbildung 7: Nahwärmeverbund: Die thermische Jahresdauerlinie der Variante 2.1 Erdgas BHKW Erdgaskessel Wärmeerzeuger 1 2 Nennwärmeleistung [kw] Jahresvollbenutzungsstunden [h] erzeugte Jahreswärmemenge [kwh/a] Anteil an Wärmeerzeugung [%] erzeugte Strommenge [kwh el /a] Verbrauch an Erdgas [kwh Hi /a] Seite 26 von 63

27 Das Erdgas-BHKW stellt mit Vollbenutzungsstunden rund kwh/a an thermischer Energie bereit. Durch die elektrische Leistung von 50 kw werden pro Jahr rund kwh an elektrischer Energie erzeugt, welche derzeit vorrangig im eigenen Hausnetz des Sportparks genutzt werden könnte. Anhand des Stromverbrauches und Auswertung der mittleren elektrischen Leistung kann ermittelt werden, dass derzeit rund 25 Prozent des erzeugten Stroms direkt im Sportpark verbraucht werden können. Ob zukünftig eine Einspeisung in das öffentliche Netz oder die Stromeigennutzung sinnvoller ist, muss anhand der aktuellen Strompreise abgewogen werden. Insgesamt beläuft sich der jährliche Erdgasverbrauch bei Variante 2.1 auf rund kwhhi. Die Unterbringung des BHKW und des Spitzenlastkessels ist im Heizraum des Sportparks vorgesehen. Nachfolgend sind die Abmessungen eines BHKW mit den genannten Leistungsdaten dargestellt. Die nachfolgende Abbildung zeigt als Beispiel die Maße des BHKW des Typs 50G-4AP der Firma KW Energie GmbH & Co. KG aus Freystadt. Seite 27 von 63

28 therm. Leistungsbedarf [kw] Gesamtenergiekonzept für die Gemeinde Winkelhaid Variante 2.2: Biomethan-BHKW (50 kwel) mit Spitzenlastkessel Bei Variante 2.2 wird zur Grundlastabdeckung ein Biomethan- BHKW mit einer thermischen Leistung von 90 kw und einer elektrischen Leistung von 50 kw eingesetzt. Zur Spitzenlastabdeckung wird ein Erdgaskessel mit einer Nennwärmeleistung von 400 kw eingesetzt. Der bestehende Erdgaskessel im Sportpark könnte somit als Spitzenlastkessel genutzt werden Um Schwankungen im Wärmebedarf auszugleichen, wird der Einsatz eines Pufferspeichers vorgesehen. Abbildung 8 zeigt die Jahresdauerlinie mit den installierten Wärmeerzeugern Erdgaskessel 400 kw th Biomethan-BHKW 50 kw el ; 90 kw th Jahresstunden [h] Abbildung 8: Nahwärmeverbund: Die thermische Jahresdauerlinie der Variante 2.2 Für das Biomethan- BHKW ergeben sich rund Vollbenutzungsstunden im Jahr. Jährlich werden rund kwh Hi Biomethan und rund kwh Hi Erdgas verbraucht. Das Biomethan- BHKW erzeugt jährlich rund kwh elektrische Energie, die in das öffentliche Versorgungsnetz eingespeist und nach dem EEG (Erneuerbare Energien Gesetz) vergütet werden. Seite 28 von 63

29 Nachfolgend sind die Kenndaten der Energieversorger in Variante 2.2 dargestellt. Das eingesetzte BHKW entspricht dem aus Variante 2.1. Die Unterbringung der Wärmeerzeuger ist analog der Variante 2.1 im jetzigen Heizraum angedacht. Biomethan BHKW Erdgaskessel Wärmeerzeuger 1 2 Nennwärmeleistung [kw] Jahresvollbenutzungsstunden [h] erzeugte Jahreswärmemenge [kwh/a] Anteil an Wärmeerzeugung [%] erzeugte Strommenge [kwh el /a] Verbrauch an Biomethan [kwh/a] Verbrauch an Erdgas [kwh Hi /a] Seite 29 von 63

30 therm. Leistungsbedarf [kw] Gesamtenergiekonzept für die Gemeinde Winkelhaid Variante 2.3: Erdgas-BHKW (12 kwel) mit Spitzenlastkessel Bei der Variante 2.3 wird zur Grundlastabdeckung ein Erdgas-BHKW mit einer thermischen Leistung von 28 kw und einer elektrischen Leistung von 12 kw eingesetzt. Zur Spitzenlastabdeckung wird ein Erdgaskessel mit einer Nennwärmeleistung von 450 kw eingesetzt. Es wird ein Pufferspeicher vorgesehen, um Schwankungen im Wärmebedarf auszugleichen. Die Unterbringung des BHKW und des Spitzenlastkessels ist im Heizraum des Sportparks vorgesehen. Abbildung 9 zeigt die Jahresdauerlinie mit den installierten Wärmeerzeugern Erdgaskessel 450 kw th Erdgas-BHKW 12 kw el ; 28 kw th Jahresstunden [h] Abbildung 9: Nahwärmeverbund: Die thermische Jahresdauerlinie der Variante 2.3 Erdgas BHKW Erdgaskessel Wärmeerzeuger 1 2 Nennwärmeleistung [kw] Jahresvollbenutzungsstunden [h] erzeugte Jahreswärmemenge [kwh/a] Anteil an Wärmeerzeugung [%] erzeugte Strommenge [kwh el /a] Verbrauch an Erdgas [kwh Hi /a] Seite 30 von 63

31 Das Erdgas-BHKW stellt mit Vollbenutzungsstunden rund kwh/a an thermischer Energie bereit. Durch die elektrische Leistung von 12 kw werden pro Jahr rund kwh an elektrischer Energie erzeugt, welche derzeit vorrangig im eigenen Hausnetz genutzt werden könnte. Anhand des Stromverbrauches und Auswertung der mittleren elektrischen Leistung kann ermittelt werden, dass derzeit rund 60 Prozent des erzeugten Stroms direkt im Sportpark verbraucht werden können. Ob zukünftig eine Einspeisung in das öffentliche Netz oder die Stromeigennutzung sinnvoller ist, muss anhand der aktuellen Strompreise abgewogen werden. Insgesamt beläuft sich der jährliche Erdgasverbrauch bei Variante 2.3 auf rund kwhhi. Seite 31 von 63

32 therm. Leistungsbedarf [kw] Gesamtenergiekonzept für die Gemeinde Winkelhaid Variante 2.4: Biomethan-BHKW (12 kwel) mit Spitzenlastkessel Bei Variante 2.4 wird zur Grundlastabdeckung ein Biomethan- BHKW mit einer thermischen Leistung von 28 kw und einer elektrischen Leistung von 12 kw eingesetzt. Zur Spitzenlastabdeckung wird ein Erdgaskessel mit einer Nennwärmeleistung von 450 kw eingesetzt. Um Schwankungen im Wärmebedarf auszugleichen, wird der Einsatz eines Pufferspeichers vorgesehen. Abbildung 10 zeigt die Jahresdauerlinie mit den installierten Wärmeerzeugern Erdgaskessel 450 kw th Biomethan-BHKW 12 kw el ; 28 kw th Jahresstunden [h] Abbildung 10: Nahwärmeverbund: Die thermische Jahresdauerlinie der Variante 2.4 Seite 32 von 63

33 Für das Biomethan- BHKW ergeben sich rund Vollbenutzungsstunden im Jahr. Jährlich werden rund kwh Hi Biomethan und rund kwh Hi Erdgas verbraucht. Das Biomethan- BHKW erzeugt jährlich rund kwh elektrische Energie, die in das öffentliche Versorgungsnetz eingespeist und nach dem EEG (Erneuerbare Energien Gesetz) vergütet werden. Nachfolgend sind die Kenndaten der Energieversorger in Variante 2.4 dargestellt. Das eingesetzte BHKW entspricht dem aus Variante 2.3. Die Unterbringung der Energieversorger sind analog der Variante 2.3 im jetzigen Heizraum angedacht. Biomethan BHKW Erdgaskessel Wärmeerzeuger 1 2 Nennwärmeleistung [kw] Jahresvollbenutzungsstunden [h] erzeugte Jahreswärmemenge [kwh/a] Anteil an Wärmeerzeugung [%] erzeugte Strommenge [kwh el /a] Verbrauch an Biomethan [kwh/a] Verbrauch an Erdgas [kwh Hi /a] Seite 33 von 63

34 4 Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 4.1 Die wirtschaftlichen Grundannahmen Die hier aufgeführten wirtschaftlichen Grundannahmen gelten für alle in dieser Studie untersuchten Energieversorgungsvarianten. Basierend auf den entwickelten Energieversorgungsvarianten wird eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zur Ermittlung der ökonomisch günstigsten Variante durchgeführt. Dabei werden im Rahmen einer Vollkostenrechnung nach der Annuitätenmethode in Anlehnung an die VDI-Richtlinie 2067 die Jahresgesamtkosten ermittelt. Hierfür werden die durchschnittlichen Jahresgesamtkosten für den betrachteten Zeitraum berechnet und dargestellt. Die Jahresgesamtkosten geben an, wie viel Kosten unter Berücksichtigung von Kapitalkosten, Instandhaltungs- und Wartungskosten, Verbrauchskosten, sonstigen Kosten und evtl. Einnahmen durch den Stromverkauf jährlich anfallen. Für die Wirtschaftlichkeitsberechnung gelten folgende Grundannahmen: Das Bezugsjahr ist 2011 Der Betrachtungszeitraum beträgt 20 Jahre Alle Preise sind Nettopreise Bestehende Anlagen gelten als vollständig abgeschrieben Die Abschreibungen für Neuinvestitionen erfolgen linear über 20 Jahre Der kalkulatorische Zinssatz beträgt konstant 4,5 % über 20 Jahre Die Brennstoffkosten bleiben im Betrachtungszeitraum konstant, Preisänderungen werden gesondert über eine Sensitivitätsanalyse erfasst Die Stromeinspeisevergütungen bleiben im Betrachtungszeitraum konstant, Änderungen werden gesondert über eine Sensitivitätsanalyse erfasst Strom aus Erdgas-Blockheizkraftwerken wird nach dem Kraft-Wärme-Kopplungs- Gesetz (KWK-G) vergütet, für das eingesetzte Erdgas kann die Energiesteuer rückerstattet werden Strom aus Biomethan Blockheizkraftwerken wird nach dem Erneuerbare-Energien- Gesetz (EEG) vergütet. Seite 34 von 63

35 Folgende Kosten bzw. Erlöse werden berücksichtigt: Investitionskosten auf Basis durchschnittlicher Nettomarktpreise für die einzelnen Komponenten Betriebsgebundene Kosten für die einzelnen Anlagenkomponenten (Wartung, Instandhaltung, Technische Überwachung, ) Verbrauchsgebundene Kosten (Brennstoff und Hilfsenergie) Sonstige Kosten (Versicherung) Erlöse aus der Stromeinspeisung Die Investitionskosten sind nicht als konkrete Angebotspreise, sondern lediglich als durchschnittliche Marktpreise zu verstehen und können in der tatsächlichen Umsetzung nach oben oder unten abweichen. Die Investitionskosten umfassen im Einzelnen: Wärmeerzeuger Nahwärmeleitungen und Übergabestationen Pufferspeicher Technische Installationskosten Projektabwicklung Sicherheitszuschlag Die Investitionskosten beziehen sich auf eine Erneuerung der Wärmeerzeuger. Im Rahmen dieser Studie werden die Investitionskessel für den Spitzenlastkessel bei jeder Variante mit berücksichtigt, um eine Vergleichbarkeit zwischen den Varianten zu gewährleisten. Auch bei den Varianten bei denen der bestehende Erdgaskessel im Sportpark weiter genutzt werden könnte, werden die Investitionskosten hierfür angesetzt. Eine Erneuerung der Heizungsverteilung, die Installation einer Gebäudeleittechnik oder Sonstiges wird nicht berücksichtigt. Der Einfluss möglicher Förderungen auf die Varianten der einzelnen Nahwärmeverbundlösungen werden separat in Kapitel 4.7 betrachtet. Seite 35 von 63

36 Die betriebsgebundenen Kosten beinhalten in erster Linie Kosten für die Wartung und Instandhaltung der einzelnen Komponenten und werden in Anlehnung an die VDI 2067 als prozentualer Anteil an den Investitionskosten ermittelt. Kosten für Kaminkehrer und Technische Überwachung (z. B. Abgasmessungen) werden pauschal angesetzt. Die verbrauchsgebundenen Kosten setzen sich aus Brennstoffkosten und Kosten für Hilfsenergie zusammen. Für die Brennstoffe selbst werden folgende Netto-Preise angenommen: Erdgas (Sportpark) 5,2 Cent/kWh Hi Erdgas (Kindergarten) 6,0 Cent/kWh Hi Heizöl (Grundschule) 70 Cent/Liter Biomethan 9,2 Cent/kWh Hi Strom (Sportpark) 17,4 Cent/kWh Die sonstigen Kosten umfassen Kosten für Verwaltung und Versicherung. Die Versicherungskosten werden mit 0,5-1,5 % (je nach Anlage) der Investitionskosten für die Anlagentechnik angesetzt. Seite 36 von 63

37 Einnahmen - Erdgas-BHKW Im Rahmen dieser Studie wird nach Rücksprache mit der Gemeinde Winkelhaid davon ausgegangen, dass der Betreiber des Erdgas-BHKW und somit der Wärmeversorger in den Liegenschaften der Sportpark ist. Der Grund hierfür liegt in der Regelung des Kraft-Wärme- Kopplungs-Gesetzes. Demnach muss der Betreiber des Erdgas-BHKW auch der Eigenstromnutzer sein, um sämtliche wirtschaftliche Vorzüge des Erdgas-BHKW zu nutzen. Würde die Gemeinde Winkelhaid das BHKW betreiben und den produzierten Strom an den Sportpark verkaufen, so müssten sie die EEG-Umlage in Höhe von 3,53 Cent/kWh el abführen. Dies würde die Wirtschaftlichkeit des Erdgas-BHKW deutlich verschlechtern. Bei Erdgas- BHKW ergeben sich die Erlöse aus der Stromeinspeisung, aus vermiedenen Stromkosten durch Stromeigennutzung und der Steuerrückerstattung. Bei der Verwendung von Erdgas in BHKW-Anlagen erhält man eine Steuerrückerstattung in Höhe von 0,55 Cent/kWh Hs, bezogen auf die Feuerungswärmeleistung. Die Einspeisevergütung wird durch das KWK Gesetz geregelt. Die wichtigsten Punkte bezüglich der Einspeisevergütung sind: KWK- Anlagen mit einer elektrischen Leistung bis 50 kw erhalten für den erzeugten KWK-Strom einen Zuschlag von 5,11 Cent/kWh und zwar zehn Jahre ab Aufnahme des Dauerbetriebes. Darüber hinaus erhält der Anlagenbetreiber eine zusätzliche Vergütung vom Netzstrombetreiber. Diese ist abhängig vom Strompreis an der Strombörse und wird auf das vorangegangene Quartal bezogen. Seite 37 von 63

38 In Abbildung 11 ist der KWK- Index der Strombörse der einzelnen Quartale seit dem Jahr 2000 dargestellt. Dieser Preis ( üblicher Preis ) gilt aber nur als Richtpreis, der bezahlt werden muss, wenn sich der Stromanbieter und der KWK- Anlagenbetreiber nicht einigen können. Abbildung 11: Der Baseloadpreis an der Strombörse EEX [Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung e.v.] Beim Aufbau eines Nahwärmeverbundes sollte demnach der Sportpark der Betreiber der Wärmeerzeuger sein, den eigen produzierten Strom bei den aktuellen Strompreisen zum Großteil selbst nutzen und die produzierte Wärme, gesichert durch entsprechende Wärmelieferverträge, an die Gemeinde Winkelhaid und deren Liegenschaften Grundschule und Gemeindekindergarten verkaufen. Seite 38 von 63

39 Somit berechnen sich die Einnahmen aus der Stromerzeugung mit einem Erdgas- BHKW wie folgt: Steuerrückerstattung: Erdgas: - 0,55 Cent/kWh Hs Stromeigennutzung: vermiedene Stromkosten bei derzeitigem Mischpreis von ca. 17,4 Cent/kWh el KWK-Zuschlag: - 5,11 Cent/kWh für BHKW < 50 kw el (für 10 Jahre) - 2,1 Cent/kWh für BHKW > 50 kw < 2MW (für 6 Jahre bzw Betriebsstunden) Stromeinspeisung: üblicher Preis gemäß EEX: ca. 5,0 Cent/kWh KWK-Zuschlag: - 5,11 Cent/kWh für BHKW < 50 kw el (für 10 Jahre) - 2,1 Cent/kWh für für BHKW > 50 kw < 2 MW (für 6 Jahre bzw Betriebsstunden) Der Betrachtungszeitraum in dieser Studie beträgt 20 Jahre. Die Dauer für den KWK- Zuschlag beträgt für Anlagen < 50 kw el 10 Jahre und für Anlagen > 50 kw el und < 2 MW el 6 Jahre. Dies wird in der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung berücksichtigt, wodurch sich ein Mischpreis der Einspeisevergütung für den Zeitraum von 20 Jahren ergibt. Diese Einnahmen sind nicht über den Betrachtungszeitraum festgeschrieben. Deshalb wird der Einfluss von Änderungen der Einnahmen durch die Stromproduktion bei den Varianten mit Erdgas-BHKW auf die Wärmegestehungskosten in der Sensitivitätsanalyse genauer betrachtet. Seite 39 von 63

40 - Biomethan BHKW Erlöse ergeben sich bei Biomethan- BHKW derzeit aus der Stromeinspeisung gemäß EEG (Erneuerbare Energien Gesetz) über einen Zeitraum von 20 Jahren. Da der produzierte Strom bei den aktuellen Strompreisen zu 100% in das öffentliche Netz eingespeist wird, besteht bei der Nutzung von Biomethan die Möglichkeit, dass die Gemeinde Winkelhaid den Heizraum des Sportparks pachtet und der Betreiber der Wärmeversorgung ist. Im Rahmen dieser Studie werden jedoch keine Pachtkosten berücksichtigt. Somit wird davon ausgegangen, dass auch bei den Varianten mit Biomethan-BHKW der Sportpark der Wärmeversorger für den Verbund ist. Die Vergütung nach EEG setzt sich, bei einer Inbetriebnahme im Jahr 2011, dabei folgendermaßen zusammen: Grundvergütung für Anlagen < 150 kw elektrisch 11,43 Cent/kWh el NawaRo- Bonus < 150 kw elektrisch 6,86 Cent/kWh el KWK- Bonus 2,94 Cent/kWh el Technologie-Bonus 0,98 Cent/kWh el Je nach Bezugsquelle des Biomethans, kann der Technologiebonus gewährt werden. Ob und in welcher Höhe ein Technologiebonus gewährt wird, ist abhängig von der Größe der Biomethan-Einspeiseanlage. Beim hier angesetzten Biomethan Bezugspreis wird vom Anbieter zugesichert, dass der Technologiebonus gewährt wird. Die Einspeisevergütung für ein Biomethan- BHKW mit einer el. Leistung kleiner 150 kw beträgt somit 22,21 Cent/kWh. Seite 40 von 63

41 Investitionskosten [ ] Gesamtenergiekonzept für die Gemeinde Winkelhaid 4.2 Die Investitionskostenprognose In Abbildung 12 sind die prognostizierten Investitionskosten der einzelnen Varianten dargestellt. Für die Variante 1.0, in der die dezentrale Energieversorgung der Liegenschaften untersucht wurde, belaufen sich die Investitionskosten in Summe auf rund Euro. Die Kosten für den Aufbau des Nahwärmverbundes belaufen sich inklusive der Kosten für die Hausübergabestationen auf rund Euro. Für die Nahwärmeverbundvarianten 1.1 und 1.2 in denen ein BHKW mit einer elektrischen Leistung von 50 kw als Grundlastaggregat zum Einsatz kommt, belaufen sich die gesamten Investitionskosten auf rund Euro. Die Investitionskosten beim Einsatz eines BHKW mit einer elektrischen Leistung von 12 kw im Nahwärmeverbund belaufen sich bei den Varianten 1.3 und 1.4 auf rund Euro. Wie bereits in Kapitel 4.1 erläutert, sind hierbei in allen Varianten die Investitionskessel für den Spitzenlastkessel mit berücksichtigt Nahwärmeleitungen und Übergabestationen 0 Variante 1.0 Variante 2.1 Variante 2.2 Variante 2.3 Variante Wärmeerzeuger und Anlagenteile Bauliche Maßnahmen Technische Installation Projektabwicklung Unvorhergesehenes Abbildung 12: Die Investitionskosten der einzelnen Varianten V 1.0 V 2.1 V 2.2 V 2.3 V 2.4 dezentrale Erdgas-BHKW (50 kw el ) Biomethan-BHKW (50 kw el ) Erdgas-BHKW (12 kw el ) Biomethan-BHKW (12 kw el ) Energieversorgung Erdgaskessel Erdgaskessel Erdgaskessel Erdgaskessel Seite 41 von 63

42 In diesem Planungsstadium kann der Aufwand für die Errichtung der Wärmeversorgungsstruktur nur näherungsweise festgelegt werden, wodurch die kalkulierten Kosten von den realen Kosten abweichen können. Die im Rahmen der vorliegenden Machbarkeitsstudie angenommenen Nettoinvestitionskosten basieren ebenso wie die Brennstoff- und Betriebskosten auf durchschnittlichen Marktpreisen und nicht auf konkreten Angebotsvorlagen. In der tatsächlichen Umsetzung, die von einer Ausschreibung eingeleitet wird, können daher die Preise von den hier Kalkulierten abweichen. Vor diesem Hintergrund wurden für die unterschiedlichen Varianten Sensitivitätsanalysen erarbeitet, welche den Einfluss einzelner Parameter auf die spezifischen Wärmegestehungskosten darstellen. Seite 42 von 63

43 jährliche Kosten [ /a] Gesamtenergiekonzept für die Gemeinde Winkelhaid 4.3 Die jährlichen Ausgaben Aus den Investitionskosten werden nach der Annuitätenmethode die jährlichen Kapitalkosten gebildet, die sich zusammen mit den Betriebskosten, den verbrauchsgebundenen Kosten und den sonstigen Kosten, die nach den wirtschaftlichen Grundannahmen in Kapitel 4.1 berechnet werden, zu den Jahresgesamtkosten addieren. Die Aufteilung der jährlichen Ausgaben auf die einzelnen Kostenarten ist in Abbildung 13 grafisch dargestellt Summe kapitalgebundener Kosten Summe betriebsgebundener Kosten Summe verbrauchsgebundener Kosten Summe sonstiger Kosten Abbildung 13: Die jährlichen Ausgaben der einzelnen Varianten V 1.0 V 2.1 V 2.2 V 2.3 V 2.4 dezentrale Erdgas-BHKW (50 kw el ) Biomethan-BHKW (50 kw el ) Erdgas-BHKW (12 kw el ) Biomethan-BHKW (12 kw el ) Energieversorgung Erdgaskessel Erdgaskessel Erdgaskessel Erdgaskessel Seite 43 von 63

44 jährliche Einnahmen [ /a] Gesamtenergiekonzept für die Gemeinde Winkelhaid 4.4 Die jährlichen Einnahmen In Abbildung 14 sind die jährlichen Einnahmen der Varianten dargestellt, welche sich durch die Stromproduktion mit dem Einsatz von KWK-Anlagen (Kraft-Wärme-Kopplung) ergeben. Bei der Variante 1.2 und der Variante 1.4 mit Biomethan-BHKW ergeben sich die Einnahmen durch die Stromeinspeisung nach dem EEG, bei Variante 1.1 und Variante 1.3 durch die Stromeigennutzung, der Stromeinspeisung, der Steuerrückerstattung und der KWK- Vergütung. Auch bei der dezentralen Energieversorgungsvariante 1.0 werden Einnahmen durch den Einsatz des Erdgas-BHKW im Sportpark erzielt Einnahmen EEG KWK-Vergütung Stromeigennutzung Steuerrückerstattung Stromeinspeisung KWK-G Abbildung 14: Die jährlichen Einnahmen der einzelnen Varianten V 1.0 V 2.1 V 2.2 V 2.3 V 2.4 dezentrale Erdgas-BHKW (50 kw el ) Biomethan-BHKW (50 kw el ) Erdgas-BHKW (12 kw el ) Biomethan-BHKW (12 kw el ) Energieversorgung Erdgaskessel Erdgaskessel Erdgaskessel Erdgaskessel Seite 44 von 63

45 Jahresgesamtkosten [ /a] Gesamtenergiekonzept für die Gemeinde Winkelhaid 4.5 Die Wärmegestehungskosten Abbildung 15 gibt die kalkulierten Jahresgesamtkosten und Wärmegestehungskosten der einzelnen Varianten wieder. Die Jahresgesamtkosten ergeben sich aus der Summe der jährlichen kapitalgebundenen-, betriebsgebundenen-, verbrauchsgebundenen und sonstigen Kosten abzüglich der Einnahmen durch die Stromproduktion in KWK. Aus den Jahresgesamtkosten werden die spezifischen Wärmegestehungskosten ermittelt, die die Kosten pro Kilowattstunde bereitgestellter Nutzwärme beziffern. Die spezifischen Wärmegestehungskosten dienen als wichtigste Kenngröße zur Ermittlung der Wirtschaftlichkeit von Wärmeversorgungsanlagen. So müssen sich alternative Konzepte zur Wärmebereitstellung stets an den spezifischen Wärmegestehungskosten einer konventionellen Standardvariante messen. Die detaillierte Ermittlung der Wärmegestehungskosten in den einzelnen Liegenschaften der dezentralen Energieversorgungsvariante 1.0 wird im Anhang erläutert , , , , , , ,0 8,0 6,0 4,0 2,0 Wärmegestehungskosten [Cent/kWh] 0 0,0 Jahresgesamtkosten [ /a] Wärmegestehungskosten [Cent/kWh] Abbildung 15: Die Wärmegestehungskosten der einzelnen Varianten V 1.0 V 2.1 V 2.2 V 2.3 V 2.4 dezentrale Erdgas-BHKW (50 kw el ) Biomethan-BHKW (50 kw el ) Erdgas-BHKW (12 kw el ) Biomethan-BHKW (12 kw el ) Energieversorgung Erdgaskessel Erdgaskessel Erdgaskessel Erdgaskessel Seite 45 von 63

46 Wärmegestehungskosten [Cent/kWh] Gesamtenergiekonzept für die Gemeinde Winkelhaid 4.6 Die Sensitivitätsanalyse im Nahwärmeverbund Zur Berücksichtigung von Änderungen der Kapitalkosten sowie Preisänderungen bei den Brennstoffen wird für die einzelnen Varianten im Nahwärmeverbund eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, die den Einfluss des jeweiligen Parameters auf die Wärmegestehungskosten simuliert. Die verschiedenen Sensitivitätsanalysen sind in den folgenden Abbildungen dargestellt. Variante 2.1: Erdgas-BHKW (50 kw el ) mit Spitzenlastkessel Steigen die Brennstoffkosten um 50 %, dann steigen die Wärmegestehungskosten von 8,9 Cent/kWh auf 13,2 Cent/kWh. Steigen die Kapitalkosten um 50 %, dann steigen die Wärmegestehungskosten auf 10,5 Cent/kWh. Steigen die Einnahmen durch die Stromproduktion um 50 %, dann sinken die Wärmegestehungskosten auf 7,5 Cent/kWh. 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0-55% -45% -35% -25% -15% -5% 5% 15% 25% 35% 45% 55% Einflussgrößenänderung in % Kapitalkosten Brennstoffkosten Einnahmen Stromproduktion Abbildung 16: Nahwärmeverbund: Die Sensitivitätsanalyse der Variante 1.1 Seite 46 von 63

47 Wärmegestehungskosten [Cent/kWh] Gesamtenergiekonzept für die Gemeinde Winkelhaid Variante 2.2: Biomethan-BHKW (50 kw el ) mit Spitzenlastkessel Steigen die Brennstoffkosten um 50 %, dann steigen die Wärmegestehungskosten von 9,8 Cent/kWh auf 16,3 Cent/kWh. Steigen die Kapitalkosten um 50 %, dann steigen die Wärmegestehungskosten auf 11,4 Cent/kWh. Im Gegensatz zu Variante 2.1, in der ein Erdgas-BHKW zum Einsatz kommt, wird bei dieser Energieversorgungsvariante keine Variation der Stromerlöse vorgenommen. Der Grund hierfür liegt in der Vergütung des Biomethan-BHKW. Die Vergütung erfolgt dabei nach dem EEG, welches dem Anlagenbetreiber konstante Einnahmen für die Dauer von 20 Jahren garantiert. 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0-55% -45% -35% -25% -15% -5% 5% 15% 25% 35% 45% 55% Einflussgrößenänderung in % Brennstoffkosten Kapitalkosten Abbildung 17: Nahwärmeverbund: Die Sensitivitätsanalyse der Variante 1.2 Seite 47 von 63

48 Wärmegestehungskosten [Cent/kWh] Gesamtenergiekonzept für die Gemeinde Winkelhaid Variante 2.3: Erdgas-BHKW (12 kw el ) mit Spitzenlastkessel Steigen die Brennstoffkosten um 50 %, dann steigen die Wärmegestehungskosten von 8,6 Cent/kWh auf 12,2 Cent/kWh. Steigen die Kapitalkosten um 50 %, dann steigen die Wärmegestehungskosten auf 9,8 Cent/kWh. Steigen die Einnahmen durch die Stromproduktion um 50 %, dann sinken die Wärmegestehungskosten auf 7,7 Cent/kWh. 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0-55% -45% -35% -25% -15% -5% 5% 15% 25% 35% 45% 55% Einflussgrößenänderung in % Brennstoffkosten Kapitalkosten Einnahmen Stromproduktion Abbildung 18: Nahwärmeverbund: Die Sensitivitätsanalyse der Variante 1.3 Seite 48 von 63

49 Wärmegestehungskosten [Cent/kWh] Gesamtenergiekonzept für die Gemeinde Winkelhaid Variante 2.4: Biomethan-BHKW (12 kw el ) mit Spitzenlastkessel Steigen die Brennstoffkosten um 50 %, dann steigen die Wärmegestehungskosten von 9,9 Cent/kWh auf 14,5 Cent/kWh. Steigen die Kapitalkosten um 50 %, dann steigen die Wärmegestehungskosten auf 11,1 Cent/kWh. Im Gegensatz zu Variante 2.3, in der ein Erdgas-BHKW zum Einsatz kommt, wird bei dieser Energieversorgungsvariante keine Variation der Stromerlöse vorgenommen. Der Grund hierfür liegt in der Vergütung des Biomethan-BHKW. Die Vergütung erfolgt dabei nach dem EEG, welches dem Anlagenbetreiber konstante Einnahmen für die Dauer von 20 Jahren garantiert. 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0-55% -45% -35% -25% -15% -5% 5% 15% 25% 35% 45% 55% Einflussgrößenänderung in % Brennstoffkosten Kapitalkosten Abbildung 19: Nahwärmeverbund: Die Sensitivitätsanalyse der Variante 1.4 Seite 49 von 63

50 4.7 Mögliche Förderungen durch den Aufbau eines Nahwärmeverbundes In diesem Kapitel wird auf derzeit aktuelle Förderungen für den Aufbau eines Nahwärmeverbundes eingegangen. Es wird keine Gewähr für die Richtigkeit und Vollständigkeit der genannten Fördermittel gegeben. Zudem besteht kein Rechtsanspruch auf Förderungen. Bei der Planung/Umsetzung einer Maßnahme sollte nochmals gezielt nach Fördermitteln recherchiert werden, da Förderungen oftmals zeitlich begrenzt, finanziell gedeckelt, bzw. an diverse Anforderungen geknüpft sind. Im Folgenden werden Fördermöglichkeiten aufgelistet, welche für die einzelnen Varianten in Frage kommen. Die Auflistung erfolgt nur stichpunktartig ohne Erwähnung aller Anforderungen. Investitionsförderung durch das BAFA: - Nahwärmenetz Die Förderung von Nahwärmenetzen wird gewährt, wenn mindestens 60 % des Wärmebedarfs durch eine hocheffiziente KWK- Anlage gedeckt wird. Der Zuschuss beträgt einen Euro je Millimeter Nenndurchmesser und Trassenmeter, wobei maximal 20% der ansatzfähigen Investitionskosten des Nahwärmenetzes bezuschusst werden. Seite 50 von 63

51 KfW-Programm Erneuerbare Energien Premium: - Nahwärmenetz 20 Euro/m Trasse in Kombination mit BAFA-Förderung (beim Einsatz von Biomethan) Euro/Übergabestation Grundsätzliche Anforderungen: Wärmebelegung größer 500 kwh/m a Brennstoffe mindestens aus 50% erneuerbaren Energien Seite 51 von 63

52 In den nachfolgenden Tabellen sind mögliche Förderungen der einzelnen Nahwärmeverbundlösungen aufgeführt. Zudem wird der Einfluss der Investitionszuschüsse auf die jeweiligen Wärmegestehungskosten der verschiedenen Varianten dargestellt. Die Förderung durch das BAFA wird nur gewährt, wenn die Wärmeerzeugung zu mindestens 60% durch eine KWK-Anlage gedeckt wird. Diese Anforderung wird durch die Variante 2.1 und die Variante 2.2 erfüllt. Die Förderung durch das KfW-Programm wird nur gewährt, wenn die Wärmeerzeugung aus mindestens 50% erneuerbaren Energien erfolgt. Diese Bedingung wird nur bei Variante 2.2 erfüllt. V 1.0 V 2.1 V 2.2 V 2.3 V 2.4 dezentrale Erdgas-BHKW (50 kw el ) Biomethan-BHKW (50 kw el ) Erdgas-BHKW (12 kw el ) Biomethan-BHKW (12 kw el ) Energieversorgung Erdgaskessel Erdgaskessel Erdgaskessel Erdgaskessel Tabelle 6: Übersicht der möglichen Förderungen im Nahwärmeverbund V 1.0 V 2.1 V 2.2 V 2.3 V 2.4 Förderung BAFA [ ] Förderung KfW [ ] Summe Förderungen [ ] Tabelle 7: Zusammenfassung der Auswirkung möglicher Förderungen im Nahwärmeverbund V 1.0 V 2.1 V 2.2 V 2.3 V 2.4 Investitionskosten [ ] Jahresgesamtkosten [ ] Wärmegestehungskosten [Cent/kWh] 8,4 8,8 9,6 8,6 9,9 Tabelle 8: Wärmegestehungskosten mit/ohne Förderungen im Nahwärmeverbund Wärmegestehungskosten ohne Förderungen Wärmegestehungskosten mit Förderungen V 1.0 V 2.1 V 2.2 V 2.3 V 2.4 [Cent/kWh] 8,4 8,9 9,8 8,6 9,9 [Cent/kWh] 8,4 8,8 9,6 8,6 9,9 Seite 52 von 63

53 CO 2 [t/a] Gesamtenergiekonzept für die Gemeinde Winkelhaid 5 Die CO 2 -Bilanz der verschiedenen Varianten Zur Beurteilung der ökologischen Verträglichkeit wird für die verschiedenen neuen Energieversorgungsvarianten eine Bilanzierung der CO2 -Emissionen durchgeführt. Dabei wird neben dem jährlichen Brennstoffbedarf auch der Hilfsenergiebedarf (elektrische Energie) berücksichtigt. Die Faktoren der CO 2 -Äquivalente wurden mit Hilfe der GEMIS- Datenbank ermittelt und berücksichtigen alle anfallenden Emissionen von der Gewinnung bis zur Energiewandlung des jeweiligen Brennstoffs. Das Ergebnis der Berechnungen ist in Abbildung 20 dargestellt. Erdgas Heizöl Biomethan Strom CO 2 -Äquivalent [g/kwh end ] Abbildung 20: Die CO 2-Bilanz der verschiedenen Varianten V 1.0 V 2.1 V 2.2 V 2.3 V 2.4 dezentrale Erdgas-BHKW (50 kw el ) Biomethan-BHKW (50 kw el ) Erdgas-BHKW (12 kw el ) Biomethan-BHKW (12 kw el ) Energieversorgung Erdgaskessel Erdgaskessel Erdgaskessel Erdgaskessel Seite 53 von 63

54 Die Referenzvariante 1.0 weist mit jährlich 160 t die höchsten CO2-Emissionen auf. Bei allen alternativen Energieversorgungsvarianten 2.X im Nahwärmeverbund ist der CO2-Ausstoß geringer. Die beste CO2-Bilanz ergibt sich mit -7 t/a bei Variante 2.2 mit Biomethan-BHKW. Dies ist auf den hohen Einsatz an regenerativem Brennstoff Biomethan und die gleichzeitige Stromproduktion in Kraft-Wärme-Kopplung zurückzuführen. Seite 54 von 63

55 6 Überprüfung des Anschlusses des ev. Kindergartens an den Nahwärmeverbund Im Rahmen dieser Studie wird überschlägig ermittelt, ob der Anschluss des ev. Kindergarten an den Nahwärmeverbund ökonomisch sinnvoll ist. In Abbildung 21 ist die Nahwärmeverbundlösung mit Anschluss des ev. Kindergarten dargestellt. Abbildung 21: Der Nahwärmeverbund mit Anschluss des ev. Kindergarten Seite 55 von 63