Wärme in Hessen. Nutzung von Wärmetechnologien in der Industrie sowie im Gewerbe, Handel und bei Dienstleistungen in Hessen - ein Ratgeber -

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1 Wärme in Hessen Nutzung von Wärmetechnologien in der Industrie sowie im Gewerbe, Handel und bei Dienstleistungen in Hessen - ein Ratgeber Viessmann Werke, Allendorf (Eder) Franziska Biedermann, FfE GmbH 1

2 Tätigkeitsschwerpunkte der FfE GmbH Forschungsstelle für Energiewirtschaft Unabhängige Forschung im Bereich der Energiewirtschaft seit 65 Jahren Ziel der nachuniversitären Weiterbildung der Absolventen Enge Zusammenarbeit mit der TU München Breite Fachkompetenz in allen Bereichen der Energiewirtschaft 2001 Gründung der Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbh Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft Industrielles Energiemanagement Energie- und Klimaschutzkonzepte System- und Marktanalysen Dienstleistungsund Produktinnovation Planung und Messtechnische Untersuchung 2

3 Inhalt 1 Zielsetzung und Aufbau der Studie 2 Wärme in Hessen wo wird sie gebraucht und wo wird sie erzeugt. 3 Faktenblätter - Wärmetechnologien im Fokus 4 Wärmeerzeugung in der Praxis 3

4 Motivation für die Erstellung des Ratgebers 4 Mehr als die Hälfte des Endenergieverbrauchs für Wärme Geringe Anteile von Erneuerbare Energien bei der Wärmeerzeugung Industrie und Gewerbe für über die Hälfte des Wärmeverbrauchs verantwortlich

5 Zielsetzung und Aufbau des Ratgebers Zielsetzung Aufbau Konzept Ratgeber für Geschäftsführer und technische Verantwortliche Nachschlagewerk Konkrete Unterstützung bei der praktischen Umsetzung Grundlegendes zum Wärmemarkt Statistik Technologien im Detail Faktenblätter Wärmetechnologie in der Praxis - Handlungsempfehlungen Geschlossene Studie Faktenblätter können individuell genutzt werden 5 1

6 Inhalt 1 Zielsetzung und Aufbau der Studie 2 Wärme in Hessen wo wird sie gebraucht und wo wird sie erzeugt. 3 Faktenblätter - Wärmetechnologien im Fokus 4 Wärmeerzeugung in der Praxis 6

7 Struktur des Wärmesektors in Hessen Wirtschaftliche Struktur in Hessen Hoher Anteil des tertiären Sektors Endenergieverbrauch Hoher Anteil Verkehr in Hessen Sektor Industrie geringer als in BRD 20,5% Bruttowertschöpfung (nominal) 2013 (Anteile der Wirtschaftbereiche) 0,4 % 0,9 % 3,7 % 4,6 % 22,3% Land- und Forstwirtschaft; Fischerei Baugewerbe Anwendungsbilanz Wärmebedarf Industrie, GHD & Haushalt: 89 TWh bzw. 42% des EEV Raumwärme und Warmwasser überwiegt bei Haushalt und GHD Prozesswärme in der Industrie 20,1% 19,8% 35,5% 26,1% 20,2% 25,9% Öffentliche und sonstige Dienstleister, Erziehung und Gesundheit Produzierendes Gewerbe ohne Baugewerbe Handel, Verkehr, Gastgewerbe; Information und Kommunikation Finanz-, Versicherungs- und Unternehmensdienstleister; Grundstücks- und Wohnungswesen Hessen Deutschland FfE IHK-HE-01#A Waermestudie Hessen_mbh_

8 Struktur des Wärmesektors in Hessen Wirtschaftliche Struktur in Hessen Hoher Anteil des tertiären Sektors Endenergieverbrauch Hessen der Sektoren in GWh Endenergieverbrauch Hoher Anteil Verkehr in Hessen Sektor Industrie geringer als in BRD Industrie GHD Haushalte Verkehr Anwendungsbilanz Wärmebedarf Industrie, GHD & Haushalt: 89 TWh bzw. 42% des EEV Raumwärme und Warmwasser überwiegt bei Haushalt und GHD Prozesswärme in der Industrie 52 Daten auf Basis 2011 FfE IHK-HE-01#A Waermestudie Hessen_mbh_00010 Endenergieverbrauch Deutschland der Sektoren in GWh Industrie GHD Haushalte Verkehr FfE IHK-HE-01#A Waermestudie Hessen_mbh_

9 Struktur des Wärmesektors in Hessen Endenergieverbrauch in GWh Beleuchtung IKT mech. Energie sonst. Prozesskälte Klimakälte sonst. Prozesswärme Warmwasser Raumwärme 0 FfE IHK-HE-01#A Waermestudie Hessen_mbh_00009 Industrie GHD Haushalte 9 Wärmebedarf Industrie, GHD & Haushalt: 89 TWh bzw. 42% des gesamten EEV Raumwärme und Warmwasser überwiegt bei Haushalt und GHD Prozesswärme in der Industrie

10 Inhalt 1 Zielsetzung und Aufbau der Studie 2 Wärme in Hessen wo wird sie gebraucht und wo wird sie erzeugt. 3 Faktenblätter - Wärmetechnologien im Fokus 4 Wärmeerzeugung in der Praxis 10

11 Faktenblätter Wärmetechnologien im Fokus Betrachtung von acht Wärmeerzeugungstechnologien Warm- und Brauchwasserkessel Dampfkessel KWK Geothermie Wärmepumpe Solarthermie Power-to-Heat (Nah- und Fernwärme) Funktionsschema Kompressionswärmepumpe Funktionsschema Solarthermie Kältemaschine, Quelle: Thermax Zusätzlich: Wärmerückgewinnung Kältetechnologien Energieträger Bewertung Funktionsschema Plattenwärmetauscher Funktionsschema Rotationswärmetauscher 11

12 Faktenblätter das Wesentliche auf einen Blick Definition Aufbau und Funktionsweise Einfache Schemata 12

13 Faktenblätter das Wesentliche auf einen Blick Das Wichtigste in Kürze Wirtschaftlichkeit 13

14 Warm- und Brauchwasserkessel Erzeugung von Warmwasser bis zu einem Temperaturniveau von 110 C Je nach Größe variiert die Leistung von einigen kw th bis zu mehren MW th Brennstoffeinsatz: Erdgas, Heizöl, Pellets oder Hackschnitzel, etc. Wirkungsgrad oder Nutzungsgrad? Heizkesseltechnologien: 14

15 Warm- und Brauchwasserkessel - Wirtschaftlichkeit 15 Wirtschaftlichkeit Variieren je nach Brennstoff & Größe Spezifische Kosten sinken je größer die Anlage Brennstoffgeräte aufgrund ihres komplexeren Aufbaus teurer als Standardkessel Lebenszyklusanalyse ist einer reinen Amortisationszeitbetrachtung vorzuziehen

16 Dampfkessel 250 Erzeugung von Wasser bzw. Wasserdampf mit Temperaturen > 110 C Größenordnungen wenige kw th bis zu MW th (Industrie) Dampftemperatur [ C] Bauformen Flammrohr-Rauchrohrkessel Kompakte Schnelldampferzeuger Elektrische Dampferzeuger 25 0 Quelle: Eigene Darstellung nach Daten der SAACKE GmbH Dampfdruck, absolut [bar] Wasseraufbereitung notwendig Quelle: TT Boilers 16

17 Kesseltechnologien Verluste vermeiden Frischluft Frischluft Kamin Brüdenwärmetauscher Zweck: Kondensat oder Zusatzwasser vorwärmen 25 C Speisewasserbehälter 75 C 25 C 103 C 25 C Zusatzwasser 25 C 40 C 55 C Luftvorwärmer Zweck: Verbrennungsluft vorwärmen Sparpotenzial: 0,5-4 % Brennwertübertrager Zweck: Zusatzwasser vorwärmen Sparpotenzial: 4-7 % Economiser Zweck: Speisewasser vorwärmen Sparpotenzial: 4-7 % 130 C Kondensatbehälter 40 C 250 C 130 C Kessel 17

18 LEEN Chiemgau-Rupertiwinkel: Installation eines Economisers Bestehender Dampfkessel Bisher keine Wärmerückgewinnung installiert Abgastemperaturen von ca. 240 bis 250 C Maßnahme: Speisewasservorwärmung durch Einsatz Economiser im Abgas Abkühlung der Abgastemperatur auf 140 C möglich Reduzierung des Erdgasverbrauchs um 186 MWh/a Reduzierung der CO 2 -Emissionen um 36 t CO 2 /a Investitionen: ca Jährliche Einsparungen: ca Interne Verzinsung: 15 % Prinzip Economiser Quelle: Saake 18

19 LEEN München-Oberbayern: Wirkungsgradsteigerung eines Dampfkessels Bestehender Dampfkessels Installierte Leistung des Kessels 10 MW Economiser bereits vorhanden Gesteigerte Wärmerückgewinnung aus dem Abgas durch Abkühlung des Speisewassers vor den Eintritt in den Economiser Gleichzeitige Erwärmung des Zusatzwassers für die Nachspeisung Einsparung von MWh/a Erdgas /a 219 t CO 2 /a Investitionen Stat. Amortisationszeit ca.1,5 Jahre 19

20 Wärmerückgewinnung Analyse der Wärmeströme und Nutzung von WRG Verminderung von Wärmeverlusten durch geeignete Maßnahmen wie z.b. Wärmedämmung Reintegration vorhandener Wärme in den selben Prozess Betriebsinterne Verwendung vorhandener Wärme an anderer Stelle Transformation in andere Energieformen wie z.b. Strom oder Kälte Abgabe der Wärme an externe Verbraucher über Wärmenetze wichtigste Wärmetauscher Plattenwärmetauscher Rohrbündelwärmetauscher Rotationswärmetauscher 20

21 Kraft-Wärme-Kopplung Gemeinsame Erzeugung von Strom und Wärme 21

22 Kraft-Wärme-Kopplung Anzahl der Anlagen: ca. 343 Leistung der Anlagen: ca. 85 MW el 22

23 KWK - Funktionsprinzip Motor-BHKW Gasturbine Bei Nutzbarmachung der Abwärme erreichen BHKW s Wirkungsgrade von 80 % bis teilweise über 90 % Auslegung: wärmegeführt oder stromgeführt 23

24 KWK - Wirtschaftlichkeit Spezifische Modulkosten eines BHKW s Richtpreis in /kw el Richtpreis in /kw el Mikrogasturbine Elektrische Leistung in kw Elektrische Leistung in kw Zusätzliche Investitionen: Planung, bauliche Maßnahmen, zusätzliches Material 24 Förderungen nur für Anlagen derzeit kleiner 20 kw el

25 LEEN Südbayern: Inbetriebnahme eines BHKWs Bisher Dampfkessel für Wärmeversorgung im Einsatz Maßnahme: BHKW mit kw Feuerungsleistung kw thermischer Leistung kw elektrischer Leistung Reduzierung des Strombezugs aus dem Netz um MWh/a bei einem Erdgasmehrverbrauch von ca MWh/a 25

26 Geothermie Tiefengeothermie: praktisch ab 1.000m Tiefe (ab 100 C auch Stromerzeugung) Oberflächengeothermie: bis zu 150 m mit Temperaturen von ca C Industrie relevant: Erdwärmesonden, Energiepfähle oder Zweibrunnensystem 26

27 Wärmepumpe Anhebung des Temperaturniveaus einer Wärmequelle durch den Einsatz von Strom oder Wärme Erzeugung von bis zu 100 C warmen Wasser (teilweise auch >100 C) 27 Wärmepumpen sind in Leistungsklasse von ca. 2 kw th bis zu 20 MW th

28 Wärmepumpe zwei Grundprinzipien Prinzip: Kompressionswärmepumpe Mechanischer Verdichter Verbrennungsmotor Absorptionswärmepumpe Thermischer Verdichter Absorber - Desorber 28

29 Erdwärmesonden und Wärmepumpen in Hessen 29 Installierte Leistung: ca. 9 MW th (seit 2012) Anzahl der Anlagen 724 (seit 2012) Anzahl der Anlagen: (seit 2000)

30 Solarthermie Erzeugung von Wärme durch Sonnenenergie Häufig verwendete Bauformen: Flachkollektoren Röhrenkollektoren Temperaturniveaus von bis zu 80 C (links) und bis zu 150 C (rechts) Einsatzgebiete: Warmwasserbereitung oder Unterstützung von Heizungsanlagen 30

31 Solarthermie - Wirtschaftlichkeit Spezifische Kosten sinken mit der Anlagengröße Zusätzlich Investition: Planung Speicher Weiteres Material Bauliche Maßnahmen Flächenspezifischer Preis in /m² , , ,5 20 Brutto-Kollektorfläche in m² Flachkollektoren Röhrenkollektoren Installierte Fläche: ca m² Anzahl der Anlagen: ca.1/16 der in Deutschland installierten Fläche

32 Nah- und Fernwärme Heißwasser mit Temperaturen von C oder Dampfsysteme C Einfache Bündelung von mehreren Wärmequellen und -senken in einem System Nutzung für Raumwärme und Warmwasser und teilweise Prozesswärme Nicht genutzte Abwärme kann in das Netz eingespeist werden Eigene Nahwärmenetze bei kleineren Industrieparks möglich 32

33 Power-to-heat Elektrodenkessel Unmittelbare Wärmeübertragung Leistungsspektrum: 1 MW bis 90 MW Temperaturen von bis zu 240 C Betriebsdrücke von bis zu 30 bar Einsatz: Industrie oder Fernwärmenetze Elektrokessel Indirekte Wärmeübertragung Leistungsspektrum: 0,1 MW bis 15 MW Investitionen Spezifische Kosten 125 bis 350 /kw el Zusätzliche Kosten für Planung etc. 33

34 Kälteerzeugung in Kombination mit Wärmeerzeugungssystemen Absorptionskältemaschinen Kältemittel wird verdampft, absorbiert, verdichtet und durch Wärmezufuhr wieder ausgetrieben Kontinuierlicher Betrieb Antriebstemperatur ab 75 C Spezifische Kosten: /kw Kälte Adsorptionskältemaschinen Adsorption und Desorption am festen Sorptionsmittel Diskontinuierlicher Betrieb Antriebstemperatur ab 55 C Spezifische Kosten: /kw Kälte 34

35 Inhalt 1 Zielsetzung und Aufbau der Studie 2 Wärme in Hessen wo wird sie gebraucht und wo wird sie erzeugt. 3 Faktenblätter - Wärmetechnologien im Fokus 4 Wärmeerzeugung in der Praxis 35

36 Wärmetechnologie in der Praxis IST-Analyse im Unternehmen Was gehört zur Wärme dazu? Was sind wichtige Daten? Woher bekomme ich diese? Wie bereite ich diese auf? Jahreslastgang Erdgas sowie näherungsweise bestimmter Lastgang Energieeffizienzmaßnahmen Dämmung Effizientere Wärmeerzeugung Einbindung einer KWK-Anlage Wärmedämmung eines Vordachs (links) sowie eines Fabriktores (rechts) Fördermöglichkeiten für die betrachteten Wärmetechnologien 36

37 IST-Analyse im Unternehmen Wärmeversorgung im Unternehmen Systematische Vorgehensweise Erzeugung, d.h. Wärmeerzeuger und Lastgänge Verteilung, d.h. Heizungsumwälzpumpen und Rohrleitungen Verbraucher, d.h. Waschanlage 37

38 38 Analyse des Wärmeverbrauchs

39 Wärmetechnologie in der Praxis - Effizienzmaßnahmen Ganzheitlicher Ansatz auf die Reihenfolge kommt es an Lebenszykluskosten im Blick das wirtschaftliche Optimum finden 39

40 LEEN München-Oberbayern: Einbau von Infrarot-Dunkelstrahler Ist-Zustand: gasbefeuerte Lufterhitzer Zu beheizende Hallenfläche ca m² Energieverbrauch Lufterhitzer ca. 600 MWh/a Zugerscheinungen und Geräuschbelastung in der Halle Maßnahme: Ersatz der Warmluftheizung (500 kw th ) durch Infrarot-Dunkelstrahler (120 kw th ) mit Restwärmenutzung für Bürobeheizung, Nutzung Strahlungswärme Reduzierung des Heizenergieverbrauchs um 477 MWh/a Zusätzliche Einsparung von 21 MWh/a Wärme durch Abgas-Wärmerückgewinnung Investitionen: Jährliche Kostenersparnis: Interne Verzinsung: 32 % 40

41 LEEN Südbayern: Reduzierung des Volumenstroms der Lüftungsanlage Bestehende Lüftungsanlage Bisher maximale Luftwechselrate eingestellt Luftwechselrate in der Praxis jedoch zu hoch Maßnahme: Anpassung des Luftvolumenstroms von m³/h auf m³/h Reduzierung der elektrischen Leistungsaufnahme von 29 kw auf 13 kw Reduzierung des Erdgasverbrauchs um 185 MWh/a Reduzierung des Stromverbrauchs um 145 MWh/a Investitionen: Jährliche Kostenersparnis: Interne Verzinsung: über 100 % 41

42 LEEN Chiemgau-Rupertiwinkel: Wärmerückgewinnung bei einem Trockner Bestehender Trockner für Flachwäsche Bisher keine Wärmerückgewinnung installiert Maßnahme: Nutzung der 120 C warmen Abluft durch WRG zur Erwärmung der Frischluft Durch WRG reduziert sich der Gasverbrauch pro Trockner um 15 % Reduzierung des Erdgasverbrauchs um 78 MWh/a Investitionen: Interne Verzinsung: 29 % 42

43 Zusammenfassung 1 Keine Energiewende ohne Wärmewende! 2 Ausbau erneuerbarer Energien im Wärmebereich schreitet voran - weiterhin hohes Potenzial 3 Faktenbuch konkrete technische und wirtschaftliche Hilfestellung für zehn Technologien 4 Praktische Tipps zur Umsetzung der wirtschaftlichen Potenziale 43

44 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Ansprechpartner: Dr.-Ing. Serafin von Roon Dipl. Ing. Franziska Biedermann Dipl.-Ing. Michael Kolb +49 (89) (89) (89) Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbh Am Blütenanger München