Energiekonzept für die Pfarrei Nickenich

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1 Energiekonzept für die Pfarrei Nickenich Auftraggeber SGD Süd Forschungsanstalt für Waldökologie und Forstwirtschaft Rheinland-Pfalz Abt. D, Herrn Dr. Seegmüller Trippstadt Auftragnehmer: Institut für Innovation, Transfer und Beratung GmbH Projektnummer: 802 Datum: Berlinstraße 107a Bingen am Rhein Leiter: Prof. Dr. Gunter Schaumann Bearbeiter: Dipl.-Ing. (FH) Jörg Wirtz Dipl.-Ing. (FH) Nina Puder Telefon: / Telefax: / Homepage: Dipl.-Ing. (FH) Nina Puder Dipl.-Ing. (FH) Jörg Wirtz

2 - 2 - Inhalt Einleitung Ist-Zustand Energieverbrauch Erneuerung der Wärmeversorgung Energieträger Erdgas Energieträger Holz Möglichkeiten eines Nahwärmeverbundsystems Varianten Energiebilanz Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Investition Grundlagen Fördermöglichkeiten Übersicht Investitionskosten Jahreskosten und Wärmepreis Grundlagen Jahreskosten Wärmepreis CO 2 -Emissionen und spezifische CO 2 -Minderungskosten CO 2 -Emissionen Spezifische CO 2 -Minderungskosten Empfehlungen zur Wärmeversorgung Stromeinsparpotenziale beim Heizungsbetrieb Zusammenfassung Literatur und Quellen...35

3 - 3 - Einleitung Die bestehende Heizöl-Heizung der Kirche St. Arnulfus in Nickenich weist an mehreren Stellen Defekte auf. Sie ist mittlerweile 28 Jahre alt und muss nach der Energieeinsparverordnung bis Ende 2006 ausgetauscht werden. Zudem ist davon auszugehen, dass die Anlage einen geringen Jahresnutzungsgrad aufweist, d.h. wenig effizient arbeitet. Angegliedert an die Kirche sind das Pfarrzentrum, das Pfarrhaus und der Kindergarten. Das angrenzende Pfarrzentrum verfügt über eine Heizung, die aus dem Jahr 1992 stammt, die Heizungen in Pfarrzentrum und Kindergarten wurden Ende der 90er Jahre erneuert. Obwohl der Austausch momentan nicht erforderlich ist, werden alle Gebäude in der Studie berücksichtigt. Dies ermöglicht es, für die Kirchengemeinde ein Gesamtkonzept zu erarbeiten, welches nicht nur den momentanen Erneuerungsbedarf berücksichtigt sondern auch Perspektiven für eine zukünftige effiziente und umweltfreundliche Wärmeversorgung offeriert. Im Rahmen dieses Berichts wird ein Energiekonzept für die Kirche und die benachbarten Gebäude erstellt. Es werden die Varianten dezentrale Erdgasheizungen kleiner Nahwärmeverbund für Kirche und Pfarrzentrum (auf Basis von Holzhackschnitzeln) und dezentrale Erdgaskessel in Pfarrhaus und Kindergarten sowie großer Nahwärmeverbund (alle Gebäude) untersucht. Dabei werden die zeitlichen Unterschieden des Erneuerungsbedarfes berücksichtigt. Zur Aufnahme der Datengrundlage erfolgte eine ausführliche Begehung. Hierbei wurden Daten zum Ist-Zustand aufgenommen und energetische Schwachstellen untersucht. Aufbauend auf diesen Angaben wird ein Energiekonzept erstellt, welches die verschiedenen genannten Varianten berücksichtigt. Es erfolgt eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, bei der die Jahresgesamtkosten und der Wärmepreis aufgrund der Investitions-, Betriebs- und Verbrauchskosten ermittelt werden. Für alle Varianten wird eine Emissionsbetrachtung vorgenommen, anhand der die ökologischen Vorteile des jeweiligen Systems erkennbar sind. In der vorliegenden Studie werden resultierend aus der Energie- und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Empfehlungen zur zukünftigen Wärmeversorgung der Gebäude gemacht.

4 - 4-1 Ist-Zustand In der Kirche ist ein Ölkessel mit einer Leistung von 233 kw th installiert. Die Wärmeversorgung des Pfarrzentrums wird ebenfalls über einen Heizölkessel gewährleistet. Kirche Leistung: kcal/h (233 kw th ) Hersteller: Mahr Typ: 200 TROVR Baujahr: 1975 Abgasverlust: 10,5% (Jan. 03) Brenner: Weißhaupt, Baujahr 1986 Warmluftstrom: m³/h Pfarrzentrum Leistung: 67 kw th Hersteller: Viessmann Typ: Vitola biferal (Niedertemperaturkessel) Baujahr: 1992 Abgasverlust: 9% In Pfarrhaus und Kindergarten sind zwei neuere Heizkessel installiert: Pfarrhaus Leistung: 56 kw th Hersteller: Viessmann Typ: Vitola Biferal (Niedertemperaturkessel) Baujahr: 1996 Abgasverlust: 6,7% (Jan. 03) Brenner: Buderus Brennstoff: Heizöl Kindergarten Leistung: 110 kw th Hersteller: Viessmann Typ: Vertomat (Brennwertkessel) Baujahr: 1998 Brenner: Weißhaupt Brennstoff: Erdgas Die Kirchenheizung muss bald erneuert werden. Bei den anderen Heizungen ist in den nächsten Jahren keine Erneuerung erforderlich. Die insgesamt installiert Leistung beläuft sich auf 466 kw th. Der unterirdische Heizöltank der Kirche hat ein Volumen von Litern und befindet sich nördlich des Heizraumes. Der Tank für das Pfarrzentrum misst Liter und liegt zwischen Kirche und Pfarrzentrum.

5 - 5 - Abb. 1 Lageplan

6 - 6-2 Energieverbrauch Der Brennstoffverbrauch belief sich in den Jahren 1999 bis 2001 wie folgt: Mittelwert Kirche l l l l/a Pfarrzentrum l l l l/a Pfarrhaus l l l l/a Kindergarten Ablesefehler Ablesefehler m³ m³/a Da der Heizbedarf von den herrschenden Temperaturen bzw. der Witterung abhängig ist, wurden die Werte für die Kirche und das Pfarrzentrum mit Hilfe der relevanten Gradtagszahlen witterungsbereinigt. Damit kann der Einfluss des Klimas ausgeschlossen werden. Da für den Kindergarten und das Pfarrhaus neben der Heizenergie auch Energie zur Warmwasserbereitung benötigt wird, welcher weitgehend unabhängig von der Witterung ist, wurden diese Werte nicht witterungsbereinigt. Es ergibt sich in den verschiedenen Jahren ein veränderter Brennstoffbedarf (vgl. folgende Tabelle). Kirche Pfarrzentrum Pfarrhaus Kindergarten Brennstoffverbrauch (gerundet) l/a kwh Hu /a l/a kwh Hu /a l/a kwh Hu /a m³/a kwh Hu /a Jahresnutzungsgrad Wärmebedarf Vollbenutzungsstunden 76% kwh th /a 675 h/a 84% kwh th /a h/a 86% kwh th /a 870 h/a 97% kwh th /a h/a Der Wärmebedarf beläuft sich in der Summe auf ca kwh th /a.

7 - 7 - Die folgende Abbildung zeigt den Wärmebedarf der Gebäude: Wärmebedarf [kwh th/a] Kirche Pfarrzentrum Pfarrhaus Kiga Abb. 2 Wärmebedarf Vollbenutzungsstunden Die Vollbenutzungsstunden geben an, wie lange die Anlage im Jahr theoretisch mit voller Leistung betrieben wird. Folgende Werte werden als üblich eingestuft: Kirche: h/a (abhängig von den Heiztemperaturen und der Anzahl der Gottesdienste) Einfamilienhaus: h/a Mehrfamilienhaus: h/a Kindergarten: h/a Das Pfarrhaus weist sehr niedrige Vollbenutzungsstunden auf. Dies deutet auf eine Überdimensionierung der Heizanlage hin. Bei einer zukünftigen Erneuerung kann der Leistungsbedarf, evtl. in Verbindung mit Wärmedämmmaßnahmen, wahrscheinlich gesenkt werden. Auch die Vollbenutzungsstunden des Pfarrzentrums liegen unter den üblichen Werten. Eventuell ist auch hier zukünftig eine Reduzierung der Leistung möglich.

8 - 8-3 Erneuerung der Wärmeversorgung Die Kirchenheizung ist mit einem Alter von fast 30 Jahren erneuerungsbedürftig. Da die anderen Heizungsanlagen in den 90er Jahren installiert wurden, ist ein Austausch voraussichtlich erst in einigen Jahren erforderlich. Baujahr Voraussichtliche Erneuerung Kirche Pfarrzentrum 1992 ca. ab 2012 Pfarrhaus 1996 ca. ab 2016 Kindergarten 1998 ca. ab 2018 Im folgenden werden verschiedene Varianten untersucht, wie eine umweltfreundlichere Wärmeversorgung aussehen könnte. Als Alternativen zum Brennstoff Heizöl kommen Erdgas und Holz in Frage. 3.1 Energieträger Erdgas Erdgas weist geringere CO 2 -Emissionen als Heizöl auf, ist zudem nicht wassergefährdend und muss nicht auf dem Grundstück gelagert werden. Ein Erdgas-Anschluss ist in der Straße vorhanden, es muss lediglich der Anschluss an die Gebäude erfolgen. Abb. 3 Schema Brennwertnutzung 1 Nach einer Sanierung bzw. Wärmedämmmaßnahmen in Pfarrzentrum und haus können die Vor- und Rücklauftemperaturen wahrscheinlich so weit reduziert werden, dass eine Brennwertnutzung erfolgen kann. Bei den folgenden Betrachtungen wird bei einer Erneuerung der Wärmeversorgung durch Erdgaskessel in allen Gebäuden von Brennwertkesseln ausgegangen (Ausnahme Kirche).

9 - 9 - Brennwertkessel nutzen zusätzlich zu konventionellen Heizsystemen die im Wasserdampf enthaltene Energie (durch Kondensation). Dadurch können Wirkungsgrade über 100% erzielt und der Brennstoff effizienter ausgenutzt werden. Voraussetzung für den Brennwertbetrieb sind niedrige Rücklauftemperaturen, da nur dann eine Kondensation des Wasserdampfes erfolgen kann. 3.2 Energieträger Holz Bei der Wärmeversorgung von größeren Objekten wie z.b. Schulen, Hallenbädern, Kirchen oder auch zur Nahwärmeversorgung mit Holz werden Holzheizkessel zur Deckung der Grundlast eingesetzt. Hierbei deckt die Holzfeuerung meist 30% bis 50% der Gesamtwärmeleistung und ca. 75% bis 90 % der Wärmeerzeugung ab. 2, 3 Die verbleibende Spitzenlast wird von einem Spitzenkessel auf der Basis von Heizöl gedeckt. Der Einsatz von Holz als Energieträger schont die Ressourcen der beschränkt vorhandenen Rohstoffe Öl, Gas und Kohle und verlängert dadurch deren Verfügbarkeit als Rohstoff für die Produktion für kommende Generationen. Abb. 4 Holzhackschnitzel-Heizung mit Brennstofflager 4

10 Holzfeuerungsanlagen sind speziell für Holz konstruierte Verbrennungssysteme. Wegen der besonderen Verbrennungseigenschaften von Holz muss eine moderne Holzfeuerungsanlage folgende Konstruktionsmerkmale aufweisen: getrennt regelbare Zufuhr der Primär- und Sekundärluft, heißer, möglichst ungekühlter Brennraum, d. h. ausschamottierte Wände, heiße, ungekühlte Nachbrennkammer mit intensiver Vermischung von Sekundärluft und Holzgas, möglichst große, nachgeschaltete Wärmetauscher und eine gute Wärmedämmung. Durch eine Holzheizung mit einer automatischen Beschickung kann der Komfort und die Regelbarkeit einer Holzheizung auf das Niveau einer Heizöl-Heizung gesteigert werden. Als Brennstoff können Holzhackschnitzel (HHS) oder Holzpellets (HP) eingesetzt werden. Holzhackschnitzel (HHS) sind maschinell gehacktes Holz. Der Wassergehalt von HHS kann je nach Ausgangsmaterial (Industrie-, Waldrestholz oder Landschaftspflegeholz) 20% bis 50% betragen. Für die Spezifikation von HHS wird auch in Deutschland immer öfter auf eine österreichische Norm (ÖNORM M 7133) zurückgegriffen. So werden z.b. mit G 30 / W 30 HHS bezeichnet, die einen Querschnitt von max. 3 cm², eine Länge von max. 8,5 cm und einen Wassergehalt von % aufweisen. Der Heizwert von HHS kann in Abhängigkeit von der Holzart und dem Wassergehalt sehr stark von 650 kwh HU bis kwh Hu je Schüttkubikmeter (Sm³) differieren. Im Mittel kann ein Wert von 850 kwh Hu /Sm³ angesetzt werden. Abb. 5 Holzhackschnitzel

11 Zusammenfassung der Grenzwerte und Bedingungen für die Zuordnung zu den österreichischen Hackgutklassen: 5 A) Hackgutzulässige Massenanteile und jeweilige Bandbreite für Teilchengröße (Siebanalyse) klasse max. 20 % % max. 20 % max. 4% max. Querschnitt zulässige Extremwerte für Teilchen max. Länge G 30 > 16 mm 16-2,8 mm 2,8-1 mm < 1mm 3 cm² 8,5 cm G 50 > 31,5 mm 31,5-5,6 mm 5,6-1 mm < 1mm 5 cm² 12 cm G 100 > 63 mm 63-11,2 mm 11,2-1 mm < 1mm 10 cm² 25 cm B) Wassergehaltsklassen: (Wassergehalt bezogen auf feuchte Masse) C) Schüttdichteklassen: (Angaben für wasserfreien Zustand) D) Aschegehaltsklassen: Hackgutklasse W 20 W 30 W 35 W 40 W 50 S 160 S 200 S 250 A 1 A 2 Klassengrenzen Erläuterung < 20 % "lufttrocken" % "lagerbeständig" % "beschränkt lagerbeständig" % "feucht" % "erntefrisch" < 160 kg/m³ "geringe Schüttdichte" kg/m³ "mittlere Schüttdichte" > 250 kg/m³ "hohe Schüttdichte" < 1 % "geringer Aschegehalt" 1-5 % "erhöhter Aschegehalt" Als Alternative können im Holzhackschnitzelkessel auch Holzpellets eingesetzt werden. Der Vorteil von Holzpellets liegt darin, dass sie direkt in den Lagerraum eingeblasen werden können und nicht wie bei der Variante mit Holzhackschnitzeln eine separate Abkippstelle und Befüllvorrichtung benötigt wird. Außerdem wird bedingt durch die höhere Schüttdichte und den höheren Heizwert ein geringeres Lagervolumen benötigt. Abb. 6 Holzpellets

12 Holzpellets sind genormte zylindrische Presslinge (DIN 51731) mit einem Durchmesser von 6..8 mm und einer Länge von mm, die ohne chemische Zusätze unter mechanischem Druck geformt werden. Holzpellets werden lose als Schüttgut und in Säcken abgepackt gehandelt, wobei das Schüttgewicht 650 kg/m³ beträgt. Ein Kilogramm Holzpellets hat einen genormten Heizwert von mindestens 4,9 kwh Hu /kg und einen maximalen Wassergehalt von 10 %. 6 Da bei den untersuchten Varianten ein hoher Wärmebedarf vorliegt, entstehen auch hohe Verbrauchskosten. Bei den untersuchten Varianten mit Nahwärme werden Holzhackschnitzeln als Brennstoff gewählt. Diese sind erheblich preisgünstiger als Holzpellets und minimieren so die Verbrauchskosten. 3.3 Möglichkeiten eines Nahwärmeverbundsystems Alternativ zu dezentralen Heizkesseln in Kirche, Pfarrzentrum, Pfarrhaus und Kindergarten besteht die Möglichkeit, ein Nahwärmeverbundsystem für die genannten Gebäude zu errichten. Nahwärmeverbund für Kirche und Pfarrzentrum (Kindergarten u. Pfarrhaus dezentral) Abb. 7 Nahwärmeverbund Kirche Pfarrzentrum

13 Die Kirchenheizung muss erneuert werden, die Heizung im Pfarrzentrum erst in einigen Jahren. Aus diesem Grund ist es wirtschaftlich nicht sinnvoll, die Heizung im Pfarrzentrum nun zu modernisieren. Zur Beheizung der Kirche kann eine Holzfeuerung mit ca. 200 kw th installiert werden, die durch eine Nahwärmeleitung an das Pfarrzentrum angeschlossen wird. Nach Unterlagen der Firma MAHR, die eine Wärmebedarfsrechnung durchgeführt hat, ist eine Leistung von 200 kw th für die Kirche ausreichend. Das Pfarrzentrum wird in den Übergangszeiten durch die Holzfeuerung beheizt. Der Heizölkessel wird nur bei sehr tiefen Außentemperaturen und niedrigem Leistungsbedarf, welchen die Holzfeuerung nicht abdecken kann, benötigt. Der Heizölkessel im Pfarrzentrum deckt dann die Spitzenlast. Kindergarten und Pfarrhaus werden weiterhin dezentral beheizt. Folgende Tabelle zeigt die bei dem Nahwärmeverbund in den einzelnen Gebäuden installierten Systeme (die Heizungserneuerung im Pfarrzentrum, Pfarrhaus und Kindergarten nicht berücksichtigt): Standort Heizung Leistung Energieträger System Kirche 200 kw th Holz Nahwärmeverbund Pfarrzentrum 67 kw th Heizöl Pfarrhaus 56 kw th Heizöl Dezentral Kindergarten 110 kw th Erdgas Dezentral Folgende Abbildung zeigt die Aufteilung der Wärmeerzeugung für Kirche und Pfarrzentrum durch die Holzfeuerung und den Spitzenkessel: Abb. 8 Schema Jahresdauerlinie für Kirche und Pfarrzentrum

14 Nahwärmeverbund für Kirche, Pfarrzentrum, Pfarrhaus und Kindergarten Abb. 9 Nahwärmeverbund aller Gebäude Prinzipiell besteht die Möglichkeit, die vier Gebäude über ein Nahwärmesystem zu versorgen. Es gibt jedoch verschiedene Aspekte, die berücksichtigt werden müssen: Die Heizkessel in Pfarrhaus und Kindergarten wurden Ende der 90er Jahre installiert, so dass ein Austausch in den nächsten 10 bis 15 Jahren nicht erforderlich ist. Die Verlegung einer Nahwärmeleitung vom Pfarrzentrum zu Pfarrhaus und Kindergarten gestaltet sich aufwendig, da eine Höhendifferenz sowie Hindernisse (z.b. Mauer) überwunden werden müssten. Außerdem fallen aufgrund der Leitungslänge von ca. 100 m höhere Wärmeverluste an. Eine Nahwärmeversorgung aller Gebäude macht zum jetzigen Zeitpunkt keinen Sinn, da dann die in Kindergarten und Pfarrhaus installierten Kessel außer Betrieb genommen werden müssten. Ist jedoch in einigen Jahren die Kesselerneuerung in Pfarrzentrum, Kindergarten und Pfarrhaus erforderlich, besteht die Möglichkeit, über einen Nahwärmeverbund, eine Holzfeuerung in der Kirche und einen größeren Kessel im Pfarrzentrum alle Gebäude mit Wärme zu versorgen. Bis der vollständige Nahwärmeverbund errichtet wird, können - wie oben erläutert - bereits die Kirche und das Pfarrzentrum über Nahwärme versorgt werden.

15 Die momentan installierte Leistung in Pfarrzentrum, Kindergarten und Pfarrhaus beläuft sich auf 233 kw th. Da die Heizungen wahrscheinlich zum Teil überdimensioniert sind (s.o.), ist bei einer Erneuerung durch einen Nahwärmeverbund eine kleinere Leistung ausreichend. Zudem kann durch eine Wärmedämmung der Leistungsbedarf weiter reduziert werden. Der im Pfarrzentrum zu installierende Kessel wird deshalb mit 200 kw th angesetzt. Es empfiehlt sich im Zuge der jetzigen Erneuerung Wärmemengenzähler einzubauen um Rückschlüsse auf den tatsächlichen Leistungsbedarf der Gebäude ziehen zu können. Folgende Tabelle zeigt die in den Gebäuden installierten Systeme nach Austausch der dezentralen Heizungen in Pfarrzentrum, Pfarrhaus und Kindergarten: Standort Heizung Leistung Energieträger System Kirche 200 kw th Holz Nahwärmeverbund Pfarrzentrum 200 kw th Heizöl Folgende Abbildung zeigt die Aufteilung der Wärmeerzeugung für Kirche, Pfarrzentrum, Pfarrhaus und Kindergarten durch die Holzfeuerung und den Spitzenkessel: Abb. 10 Schema Jahresdauerlinie alle Gebäude

16 Varianten Bei den möglichen Varianten zur neuen Wärmeversorgung ist zu beachten, dass die Kirchenheizung wahrscheinlich 2004, die Heizung im Pfarrzentrum ca und die beiden anderen Heizungen erst 2016 bzw erneuerungsbedürftig sind (Schätzwerte) und auch erst dann ausgetauscht werden. Dies wurde bei den weiteren Betrachtung mit berücksichtigt. Erdgas stellt zwar die umweltfreundlichere Alternative dar, im Gegensatz zu Heizöl fällt jedoch ein Leistungspreis an. Der Betrieb des Spitzenkessels zeichnet sich durch kurze Intervalle mit hohem Leistungsbedarf aus, wodurch bei Erdgas unverhältnismäßig hohe Verbrauchskosten entstünden. Aus diesem Grund wurde mit den Varianten mit Nahwärmeverbund als Spitzenkessel ein Heizölkessel gewählt. 7 Ansonsten wurde bei der Modernisierung als neuer Brennstoff Erdgas gewählt. Es werden die folgenden Varianten für die neue Wärmeversorgung betrachtet: 1. Dezentrale Versorgung der einzelnen Gebäude durch Erdgas Standort Heizung Leistung Ist Leistung neu Energieträger neu Austausch System Kirche 230 kw th 200 kw th Erdgas 2004 Dezentral Pfarrzentrum 67 kw th kw th Erdgas 2012 Dezentral Pfarrhaus 56 kw th kw th Erdgas 2018 Dezentral Kindergarten 110 kw th 110 kw th Erdgas 2018 Dezentral Die Heizungen werden bei einem erforderlichen Austausch gegen Erdgasheizungen ausgetauscht, nach Möglichkeit mit Brennwertnutzung. 2. Nahwärmeverbund Kirche und Pfarrzentrum und dezentrale Versorgung von Kindergarten und Pfarrhaus Standort Heizung Leistung Ist Leistung neu Energieträger neu Austausch Holz / Heizöl 2012 System Kirche 230 kw th 200 kw th 2004 Nahwärmeverbund Pfarrzentrum 67 kw th kw th Pfarrhaus 56 kw th kw th Erdgas 2018 Dezentral Kindergarten 110 kw th 110 kw th Erdgas 2018 Dezentral

17 Es entsteht ein Nahwärmeverbund von Kirche und Pfarrzentrum, die beiden anderen Heizungen werden dezentral weiter betrieben. Die Heizung im Pfarrhaus wird bei einer Erneuerung auf Erdgas umgestellt. In der Kirche wird ein Holzhackschnitzelkessel installiert, der durch eine Nahwärmeleitung das Pfarrzentrum mit versorgt. Prinzipiell besteht auch die Möglichkeit, die beiden Gebäude getrennt zu heizen (ohne Nahwärmeverbund). Hierdurch ließen sich die Kosten für die Nahwärmeleitungen einsparen. Allerdings entstünden erheblich höhere Verbrauchskosten (ca /a), da das Pfarrzentrum durch das teuere Heizöl und nicht größtenteils durch die HHS geheizt würde. Die Mehrinvestitionen für den Nahwärmeverbund würden sich innerhalb weniger Jahre amortisieren. Aus diesem Grund wurde die dezentrale Versorgung von Kirche und Pfarrzentrum nicht explizit betrachtet. Variante 2 kann als eine Art Vorstufe für die nächste Variante angesehen werden. Der Nahwärmeverbund für Kirche und Pfarrzentrum kann Voraussetzung ist, dass die Nahwärmeleitungen entsprechend ausgelegt werden auf das Pfarrhaus und den Kindergarten ausgeweitet werden. 3. Nahwärmeverbund von Kirche, Pfarrzentrum, Pfarrhaus und Kindergarten Standort Heizung Leistung Ist Leistung neu Energieträger neu Austausch Kirche 230 kw th 200 kw th 2004 Pfarrzentrum 67 kw th 200 kw th Holz 2015 Pfarrhaus 56 kw th - Heizöl 2015 Kindergarten 110 kw th System Nahwärmeverbund Die in Pfarrzentrum, Pfarrhaus und Kindergarten installierten Kessel werden 2015 außer Betrieb genommen und durch einen Heizöl-Kessel von 200 kw th, der im Pfarrzentrum eingebaut wird, ersetzt. Es entsteht ein Nahwärmeverbund, der alle Gebäude versorgt.

18 Energiebilanz Bei den verschiedenen Varianten ergibt sich nach vollständiger Erneuerung der Heizungen folgender Wärmebedarf. Dieser wird durch die Energieträger Erdgas bzw. beim Nahwärmeverbund durch Holzhackschnitzel und Heizöl gedeckt. Variante 1 Erdgas dezentral Brennstoff Wärmebedarf [kwh th /a] Variante 2 Nahwärmeverbund Kirche/Pfarrzentrum Wärmebedarf Brennstoff [kwh th /a] Variante 3 vollständiger Nahwärmeverbund Wärmebedarf Brennstoff [kwh th /a] Nahwärmeverluste HHS / Kirche Erdgas Heizöl HHS / Pfarrzentrum Erdgas Heizöl Pfarrhaus Erdgas Erdgas Kindergarten Erdgas Erdgas Summe Bei den Varianten mit Nahwärmeverbund wird der Großteil der Nahwärmemenge durch den HHS-Kessel zur Verfügung gestellt. Wärmemengenanteil HHS- Kessel am Nahwärmeverbund Wärmemengenanteil Heizölkessel am Nahwärmeverbund Variante 2 Nahwärmeverbund Kirche/Pfarrzentrum 95% kwh th /a 5% kwh th /a Variante 3 vollständiger Nahwärmeverbund 85% kwh th /a 15% kwh th /a Die folgende Abbildung verdeutlicht die Erzeugung der Wärmemengen durch die verschiedenen Energieträger:

19 Wärmemenge [kwh th /a] Erdgas HHS Heizöl Abb. 11 Wärmemengen Resultierend aus dem Wärmebedarf und den Jahresnutzungsgraden der Heizungen ergibt sich der Brennstoffbedarf: Variante 1 Erdgas dezentral Variante 2 Nahwärmeverbund Kirche/Pfarrzentrum Erdgas Wärmemenge kwh th /a kwh th /a Jahresnutzungsgrad 98% bzw. 92% (Kirche) 98% Brennstoffbedarf kwh Hu /a m³/a kwh Hu /a m³/a Variante 3 vollständiger Nahwärmeverbund HHS Wärmemenge kwh th /a kwh th /a Jahresnutzungsgrad 80% 80% Brennstoffbedarf kwh BS /a 90 t/a 360 Sm³/a kwh BS /a 155 t/a 620 Sm³/a Heizöl Wärmemenge kwh th /a kwh th /a Jahresnutzungsgrad 90% 90% Brennstoffbedarf kwh BS /a l/a kwh BS /a l/a

20 Bei Variante 2 werden ca. 360 Sm³/a an Holzhackschnitzeln benötigt, bei Variante 3 sind es 620 Sm³/a. Bei einem Nutzvolumen des Erdbunkers von 70 m³ müsste der Bunker ca. 5 bzw. 9 mal jährlich gefüllt werden. Es wurde dabei von einem Heizwert von 3 kwh BS /kg Holzhackschnitzeln ausgegangen. Bei Variante 2 ergeben sich für den HHS-Kessel Jahresvollbenutzungsstunden von ca h/a und bei Variante 3 von h/a. Die Anlage wird bei einem kompletten Nahwärmeverbund erheblich besser ausgelastet. 5 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 5.1 Investition Im folgenden werden die Investitionen betrachtet, die sich bei den verschiedenen Varianten ergeben Grundlagen Da die Investitionen teilweise erst in einigen Jahren erfolgen, wurde für die relevanten Anlagen und Montagearbeiten der Barwert angesetzt (z.b. Kessel, Erdgasanschluss, Nahwärmeleitung für Pfarrzentrum, Pfarrhaus und Kindergarten). Der Barwert gibt an, welche Investition zum jetzigen Zeitpunkt notwendig ist um zum Zeitpunkt der Erneuerung in einigen Jahren (hier 2012, 2015 bzw. 2018) eine gewisse Geldsumme angespart zu haben. Es wurde ein Habenzinssatz von 2% zugrunde gelegt. Bei den Investitionen für die neuen Kessel wurde von der reduzierten Leistung ausgegangen (s.o.). Kosten für Montage, Unvorhergesehenes und Planung wurden prozentual angesetzt (Bezugswert Summe für Anlagen und Bauteile), soweit keine anderen Werte vorlagen.

21 Variante Erdgas Bei der Erdgas-Kirchenheizung wurde von dem vorliegenden Angebot der Firma MAHR ausgegangen, jedoch ein Gas- anstatt eines Ölbrenners gewählt. Für die Erdgasanschlüsse wurde von folgenden Leitungslängen ausgegangen: Kirche und Pfarrzentrum: jeweils 50 m Pfarrhaus: 20 m Für die Verlegung und den Anschluss kann evtl. ein Baukostenzuschuss erfolgen. Variante Nahwärmeversorgung Es wird von einem Nutzlagervolumen für die HHS von 70 m³ ausgegangen. Bei einem Füllgrad von 80% ergibt sich ein notwendiges Bunkervolumen von knapp 90 m³ (Grundfläche 5 m * 5 m, Höhe 3,5 m). Bei der Nahwärmeleitung wird von folgenden Rohrleitungen ausgegangen Rohrlänge Rohrdurchmesser Übertragbare Leistung Variante 2 Kirche Pfarrzentrum 50 m 40 mm ca. 70 kw Variante 3 Kirche Pfarrzentrum Pfarrzentrum Pfarrhaus Pfarrhaus - Kindergarten 50 m 30 m 70 m 63 mm 63 mm 50 mm ca. 200 kw ca. 150 kw ca. 110 kw Fördermöglichkeiten Eine Förderung der Heizungserneuerung kann über das Bistum erfolgen. Das Bistum Trier verfügt zusätzlich über einen Energiesparfond, durch welchen ökologische Pilotprojekte mit bis zu gefördert werden können. Diese Förderung könnte bei den Varianten mit Holz zur Verfügung stehen. Mögliche Fördergelder wurden in der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung nicht berücksichtigt.

22 Die Möglichkeit nach dem Förderprogramm für erneuerbare Energien einen Zuschuss beim Wirtschaftsministerium des Landes Rheinland-Pfalz zu beantragen, ist momentan nur eingeschränkt möglich. Antragsteller aus strukturschwachen Gebieten werden bevorzugt behandelt. Die Förderungshöhe für Anlagen zur Nutzung fester Biomasse zur Wärmeerzeugung mit einer installierten Nennwärmeleistung von mehr als 20 kw beträgt 75 /kw th und maximal je Anlage. Die Förderung des Bundes im Rahmen des Marktanreizprogrammes zur Förderung für automatisch beschickte Anlagen zur Verfeuerung fester Biomasse zur Wärmeerzeugung gilt nicht für juristische Personen des privaten Rechtes, die sich überwiegend im Eigentum von Gebietskörperschaften (z.b. des Bundes, Bundeslandes oder einer Kommune) befinden. Durch die Kreditanstalt für Wiederaufbau kann evtl. ein zinsgünstiges Darlehn für einen Teil der Investition erfolgen (Gebetsräume werden normalerweise nicht gefördert). Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) fördert im Bereich Umwelttechnik (Förderbereich 2: Energietechnik, 2.2 Systemplanung und Demonstration) auch Techniken zur rationellen Energieverwendung und der Nutzung regenerativer Energien. Demonstrationsvorhaben mit hohem Multiplikatoreffekt sollen die Potentiale zur Einsparung fossiler Energieträger anschaulich aufzeigen und zur Verbreitung entsprechender Maßnahmen beitragen. Gefördert werden können Projekte, die durch eine ganzheitliche Systemplanung die Nutzung regenerativer Energien, wie z.b. der Solarenergie, Erdwärme und Biomasse, in Kombination mit Maßnahmen zur rationellen Energienutzung, beispielhaft demonstrieren Übersicht Investitionskosten Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die entstehenden Investitionskosten für Die kursiv gekennzeichneten Werte geben an, dass hier für zukünftig vorzunehmende Investitionen der Barwert angesetzt wurde. In Klammern sind die tatsächlichen Investitionen angegeben. Bei Variante 1 ergeben sich die geringsten Investitionskosten. Bei den Varianten mit Nahwärmeversorgung fallen hohe Kosten für die Nahwärmeleitung und die HHS-Lagerung an, wodurch Investitionskosten in Höhe von insgesamt bzw entstehen.

23 Variante 1 Erdgas dezentral Variante 2 Nahwärmeverbund Kirche/Pfarrzentrum Variante 3 vollständiger Nahwärmeverbund Anlagen und Bauteile Kessel Kirche Kessel Pfarrzentrum (8.000) (5.300) (9.200) Kessel Pfarrhaus (5.200) (5.200) Kessel Kindergarten (10.800) (10.800) Hausübergabestationen (2.250) Pufferspeicher Kaminanlagen (2.000) (2.200) (4.200) HHS-Bunker HHS-Lagerung und Transport Außerbetriebnahme Heizöltanks (2.150) Gasanschluss (6.600) (1.600) Nahwärmeleitung (10.650) Zwischensumme Anlagenmontage (z.t. oben enthalten) Nahwärmeleitung / Tiefbau (n.b.) (n.b.) (27.500) Summe Montage / Baumaßnahmen Unvorhergesehenes (5%) Planung (10%) Summe MWSt Summe inkl. MWSt

24 Jahreskosten und Wärmepreis Im Wirtschaftlichkeitsvergleich werden für die einzelnen Wärmeversorgungsvarianten in Anlehnung an die VDI 2067 die Jahresgesamtkosten dargestellt. Diese setzen sich aus den Kapital-, Betriebs- und Verbrauchskosten zusammen Grundlagen Kapitalkosten Der angesetzte Zinssatz für die Ermittlung der Kapitalkosten beträgt 6%. Als Abschreibungszeiträume wurden für Anlagenteile 15 Jahre und für Baumaßnahmen 30 Jahre angesetzt. Betriebskosten Die Betriebskosten umfassen die jährlich entstehenden Kosten für Wartung, Personal, Steuer, Versicherung und Verwaltung. Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die Berechnungsgrundlagen. Die Werte wurden prozentual angesetzt und können, falls dem Auftraggeber Erfahrungswerte vorliegen, neu ermittelt werden. Berechnungsgrundlage Wartung 1,5% der Anlageninvestition (Variante 1) 2,0% der Anlageninvestition (Variante 2) 2,5% der Anlageninvestition (Variante 3) Personal Stundensatz: 20 /h Personalaufwand: 50 h/a (Erdgasheizung), 150 h/a (HHS-Heizung) Steuer, Versicherung Verwaltung 0,7% der Gesamtinvestition 5% der Jahreskosten

25 Verbrauchskosten Die nachfolgend dargestellten Beträge verstehen sich inkl. der Mehrwertsteuer (allgemein: 16%, Holzhackschnitzel: 7%). Erdgas Preis Arbeitspreis Grundpreis pro Gebäude Waldhackschnitzel Heizöl Hilfsenergie 3,2 Ct/kWh Ho 790 /a 64 /t 35 Ct/l 14 Ct/kWh el Jahreskosten Es ergeben sich folgende Jahreskosten: /a Variante 1 Erdgas dezentral Variante 2 Nahwärmeverbund Kirche/Pfarrzentrum Variante 3 vollständiger Nahwärmeverbund Kapitalkosten Betriebskosten Wartung Personal Steuer, Versicherung Verwaltung Summe Betriebskosten Verbrauchskosten Jahreskosten Verbrauchs- und betriebsgebundene Jahreskosten Statische Amortisationszeit Jahre 11 Jahre

26 Die Jahreskosten belaufen sich auf /a bis /a, wobei Variante 3 am günstigsten abschneidet. Die statische Amortisationszeit der Mehrinvestition (Referenz: Variante 1) belaufen sich bei Variante 2 auf 59 Jahre, bei Variante 3 auf 11 Jahre. Die folgende Abbildung verdeutlicht die Aufteilung der Jahreskosten: Jahreskosten [ /a] Variante 1 Variante 2 Variante 3 Kapitalkosten Betriebskosten Verbrauchskosten Abb. 12 Jahreskosten Es wurde von einem HHS-Preis von 60 /t zzgl. MWSt. ausgegangen, was dem Preis von Waldhackschnitzeln entspricht. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, HHS aus dem Handel einzusetzen (ca. 40 /t zzgl. MWSt.). Hierdurch reduzieren sich die Verbrauchskosten bei Variante 2 und 3 wie folgt: Variante 2 Variante 3 HHS-Preis : 60 /t /a /a HHS-Preis : 40 /t /a /a Einsparung /a /a Die Wirtschaftlichkeit lässt sich durch die günstigeren Holzhackschnitzel erheblich verbessern. Durch die Einsparungen bei den Verbrauchskosten reduzieren sich die Jahreskosten entsprechend. Die Mehrkosten gegenüber Variante 1 amortisieren sich statisch gesehen bei Variante 2 innerhalb von 15 Jahren und bei Variante 3 innerhalb von 6 Jahren.

27 Wärmepreis Für den Vergleich der Wirtschaftlichkeit kann z.b. der Wärmepreis als Kriterium gewählt werden. Dieser wird als Quotient aus den Jahresgesamtkosten (Summe aus den Kapital-, Verbrauchs- und Betriebskosten nach VDI 2067) und dem Wärmebedarf ( kwh th /a) gebildet. Die Werte liegen bei allen Varianten dicht zusammen. Variante 3 weist mit 7,9 Ct/kWh th den geringsten Wärmepreis auf. 9 Wärmepreis [Ct/kWh th] ,2 8,8 7,9 1 0 Variante 1 Variante 2 Variante 3 Abb. 13 Wärmepreis

28 CO 2 -Emissionen und spezifische CO 2 -Minderungskosten 6.1 CO 2 -Emissionen Die Energieträger setzten bei der Verbrennung unterschiedlich große Mengen an CO 2 frei. Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht: 8 CO 2 - Emission Strom Heizöl Erdgas Holzhackschnitzel 683 g/kwh el 318 g/kwh BS 254 g/kwh BS 58 g/kwh BS Es ergeben sich bei den Varianten folgende CO 2 -Emissionen: CO 2 - Emissionen Reduzierung der Emission im Vergleich zu Variante 1 Variante t CO2 /a Variante 2 77 t CO2 /a auf 66% Variante 3 56 t CO2 /a auf 48% Bedingt durch den Energieträger Erdgas treten bei Variante 1 hohe CO 2 -Emissionen auf. Die CO 2 -Emissionen lassen sich bei Variante 3 am weitesten reduzieren, da der Großteil der Wärme durch Holzhackschnitzel erzeugt wird. Die folgende Abbildung zeigt die Zusammensetzung der CO 2 -Emissionen:

29 CO2-Emissionen [t/a] V1 V2 V3 Erdgas Heizöl HHS Strom Abb. 14 CO 2 -Emissionen 6.2 Spezifische CO 2 -Minderungskosten Die spezifischen CO 2 -Minderungskosten geben an, wie viel Investitionskosten zur Reduzierung der CO 2 -Emissionen um 1 kg/a erforderlich sind. Hierzu wird das Verhältnis aus Investition inkl. MWSt. [ ] und im Vergleich zu Variante 1 eingesparten CO 2 -Emissionen gebildet [kg/a]. Für Variante 2 ergeben sich spezifische Minderungskosten von 3,3 /(kg/a), bei Variante 3 sind es 2,3 /(kg/a). CO 2 -Emissionen können also bei Variante 3 am günstigsten eingespart werden.

30 Empfehlungen zur Wärmeversorgung Für den kompletten Nahwärmeverbund für alle vier Gebäude entstehen zwar bedingt durch die Nahwärmeleitungen und das Holzhackschnitzellager - die höchsten Investitionskosten, die Jahreskosten sind jedoch vergleichbar mit denen der anderen Varianten. Bedingt v.a. durch die im Vergleich zu Variante 1 um ca /a niedrigeren Verbrauchskosten amortisiert sich die Mehrinvestition innerhalb von 11 Jahren. Auch der Wärmepreis liegt mit 7,9 Ct/kWh th am günstigsten. Werden anstatt von Waldhackschnitzel die günstigeren Holzhackschnitzel aus dem Handel eingesetzt, reduzieren sich die Verbrauchskosten um ca /a. Auch aus ökologischen Gesichtspunkten ist diese Variante am günstigsten zu bewerten. Es entstehen bedingt durch den Energieträger Holz, welcher ca. 85% der Wärme bereitstellt die geringsten CO 2 -Emissionen. Auch die spezifischen CO 2 -Minderungskosten sind geringer als die von Variante 2. Variante 3 ist aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht als am günstigsten zu bewerten. Sollte trotzdem die Variante 2 favorisiert werden, welche als Vorstufe zu dem kompletten Nahwärmverbund gesehen werden kann, kann die Nahwärmeleitung zum Pfarrzentrum größer gewählt werden, so dass die Möglichkeit besteht, Pfarrhaus und Kindergarten nachträglich an den Nahwärmeverbund anzuschließen. Bei Auswahl der zukünftigen Wärmeversorgung sollte bedacht werden, welche Möglichkeiten bestehen, falls eine Heizungsanlage (z.b. im Pfarrzentrum) vorzeitig sanierungsbedürftig wird.

31 Stromeinsparpotenziale beim Heizungsbetrieb Bei Erneuerung der Heizungsanlage sollten zum Betrieb sowie den eingesetzten Heizungsumwälzpumpen folgende Punkte beachtet werden: Optimierung des Pumpenbetriebs Heizungen werden nur während der Heizperiode benötigt, die Umwälzpumpen werden jedoch oft ununterbrochen betrieben. Durch die Abschaltung am Ende der Heizperiode können bis zu 40% an Strom eingespart werden. Optimierung der Regelung Für neu eingebaute Umwälzpumpen ist nach der Energieeinsparverordnung eine Regelung in mindestens drei Stufen vorgeschrieben (Heizungen über 25 kw). Die seit den 70er Jahren eingebauten drehzahlgeregelten Umwälzpumpen können in mehreren Leistungsstufen betrieben und so dem tatsächlichen Bedarf angepasst werden. Oft kann durch eine Reduzierung der Drehzahl genau so effektiv geheizt werden wie bei einer höheren Drehzahl. Der Leistungs- und damit der Strombedarf lassen sich so weiter reduzieren. Stand der Technik sind vollautomatische drehzahlgeregelte Pumpen (s.u.), die die Leistung in Abhängigkeit von Zeit, Temperatur- und Druckdifferenz variieren und so dem Bedarf optimal angepasst werden können: Innovative Pumpentechnik Bestehende Heizungsanlagen verfügen meist über sogenannte Nassläufer, die mit einem Asynchronmotor (AC-Motor) ausgestattet sind. Vorteile liegen in der Robustheit und dem wartungsarmen und leisen Betrieb, Nachteile im geringen Wirkungsgrad. Trockenläufer mit AC-Motor weisen zwar einen besseren Wirkungsgrad auf, werden jedoch aufgrund des Wartungsbedarfs und der lauteren Geräusche nur selten eingesetzt. Eine neue innovative Technik stellen Pumpen mit EC-Motor (elektronisch kummutierter Synchronmotor) dar. Die Hocheffizienzpumpe besitzt sowohl bei Voll- als auch bei Teillast einen hohen Wirkungsgrad und ist stufenlos regelbar. Bisher wurde der EC-Motor nur in Trockenläuferpumpen eingebaut, seit einiger Zeit sind jedoch auch Nassläuferpumpen mit EC-Motor auf dem Markt.

32 Abb. 15 Energieverbrauch Umwälzpumpen Die Investitionskosten einer EC-Hocheffizienzpumpe liegen ca. 15% über denen einer AC- Elektronikpumpe bzw. beim 2,5-fachen einer geregelten Standardpumpe. Durch die Stromeinsparung von bis zu 70% (vgl. Abbildung) amortisiert sich die Mehrinvestition jedoch innerhalb weniger Jahre. Neben dem geringen Strombedarf zeichnen sich die EC-Heizungspumpen durch die genannten Vorteile der Nassläufer aus.

33 Zusammenfassung Der Wärmebedarf der vier Gebäude beläuft sich auf kwh th /a. Insgesamt ist eine Leistung von 466 kw th installiert. Die Jahresvollbenutzungsstunden zeigen, dass die Heizungen in Pfarrzentrum und haus wahrscheinlich überdimensioniert sind. In Verbindung mit Wärmedämmassnahmen ist bei einer Erneuerung eine geringere Leistung ausreichend. Die Heizungserneuerung in der Kirche ist im nächsten Jahr notwendig, die restlichen Heizungen müssen erst ab ca ausgetauscht werden. Die zeitliche Differgenz der Erneuerungen wird in dieser Studie entsprechend berücksichtigt. Es werden folgende Varianten betrachtet: dezentrale Erdgasheizungen für Kirche, Pfarrzentrum, Pfarrhaus und Kindergarten Nahwärmeverbund für Kirche und Pfarrzentrum auf der Basis von Holzhackschnitzeln. Die Spitzenlast wird durch den im Pfarrzentrum installierten Heizölkessel gedeckt. Das Pfarrhaus wird bei der Heizungserneuerung auf den Brennstoff Erdgas umgestellt. Nahwärmeverbund aller Gebäude auf der Basis von Holzhackschnitzeln. Zunächst entsteht ein Nahwärmeverbund von Kirche und Pfarrzentrum, ca werden das Pfarrhaus und der Kindergarten an den Verbund angeschlossen und im Pfarrzentrum ein größerer Heizölkessel installiert. Folgende Brennstoffmengen werden bei den verschiedenen Varianten benötigt: Variante 1 Variante 2 Variante 3 Erdgas kwh Hu /a kwh Hu /a Holzhackschnitzel kwh BS /a kwh BS /a Heizöl kwh BS /a kwh BS /a Summe kwh BS /a kwh BS /a kwh BS /a

34 Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ergab folgende Werte Variante 1 Variante 2 Variante 3 Investition inkl. MWSt Kapitalkosten /a /a /a Betriebskosten /a /a /a Verbrauchskosten /a /a /a Jahreskosten /a /a /a Wärmepreis 8,2 Ct/kWh th 8,8 Ct/kWh th 7,9 Ct/kWh th Bei der Wirtschaftlichkeit ist zu beachten, dass die Werte dargestellt werden, wie sich nach vollständiger Erneuerung aller Heizungen (also im Jahr 2015) ergeben. Bzgl. der CO 2 -Emissionen und der spezifischen CO 2 -Minderungskosten schneidet Variante 3 am günstigsten ab. Variante 3 ist aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht als am günstigsten zu bewerten. Sollte trotzdem die Variante 2 favorisiert werden, welche als Vorstufe zu dem kompletten Nahwärmverbund gesehen werden kann, kann die Nahwärmeleitung zum Pfarrzentrum größer gewählt werden, so dass die Möglichkeit besteht, Pfarrhaus und Kindergarten nachträglich an den Nahwärmeverbund anzuschließen.

35 Literatur und Quellen 1 ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.v. 2 Bunk, Maurer; Holzenergie für Kommunen; Forstabsatzfonds; Bonn, Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg: Holzenergienutzung Technik, Planung und Genehmigung, Fa. Herz ( 5 ÖNORM M7133 ( 6 Pilz, Raab, Fischer; Holzpellets Energie, die nachwächst; Biomasse Info-Zentrum; Stuttgart, Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg: Holzenergienutzung Technik, Planung und Genehmigung, Globales Emissions-Modell Integrierter Systeme (Gemis 4.14) (