ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH Hans Hertle

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2 CO 2 -freie Kommune 2050 Exergetische Bewertung kommunaler Strom-Wärmesysteme Auftraggeber: Umweltbundesamt, Partner: IBP Kassel, Richtvert Laufzeit: 12/ /2013 IBP: Marlen Schurig; Richtvert: Andrej Jentsch IFEU:, Lothar Eisenmann, Sarah Brückner Langfristige Bewertung kommunaler Energiesysteme 2

3 CO 2 -freie Kommune 2050 Exergetische Bewertung kommunaler Strom-Wärmesysteme IFEU wird 35 Jahre alt Zurzeit arbeiten am IFEU ca. 70 Personen Siehe: Arbeitstreffen am im UBA / Dessau (12:30 Uhr bis ca. 16:00 Uhr) IBP: Marlen Schurig; Richtvert: Andrej Jentsch IFEU:, Lothar Eisenmann, Sarah Brückner 3

4 Bilanzierung von Exergieströmen: Ein trockenes Thema? Quelle: Feuer von Martin Honert (1992) Ausstellung im Hamburger Bahnhof / Berlin Foto: H. Hertle 4

5 Welcher Pfad ist der Richtige? Bis 2050 wird es nur noch stromversorgte Systeme geben! Passivhäuser machen Nahwärme überflüssig! Ohne Transformation der Fernwärmesysteme hat KWK keine Chance! 100% Erneuerbare sind bis 2030 kein Problem! Effizienz mit dem Faktor 4 ist möglich! Ohne Suffizienz geht gar nichts! Biomasse ist in Deutschland fast ausgereizt! Wir müssen auf 1 Tonne CO2 pro Bürger kommen! Die 2000-Watt Gesellschaft das Ende der Fahnenstange? Gibt es ein umfassendes Bewertungssystem zur Beantwortung dieser Fragen? 5

6 Muss es noch ein weiterer Indikator sein? Indikatorsatz berücksichtigt: CO 2 -Emissionen Erneuerbare KWK Effizienz Mobilität und Abfallvermeidung 6

7 Raumwärme: Balance zw. Effizienz / KWK und Erneuerbaren Raumwärmebedarf Deutschland [PJ/a] I Ncihterneuerbar I Erneuerbar Deutschland Effizienz Erneuerbare K W K Leitszenario Deutschland 2010 (DLR, IWES, IfnE, 2012) 7

8 Wir brauchen einen ausgewogenen Mix zwischen Effizienz inkl. Kraft-Wärme-Kopplung und Erneuerbaren Energien Energieeffizienz Erneuerbare Energien Kraft-Wärme-Kopplung LowExergie - Systeme Nachhaltiges Verhalten Suffizienz Studie: Energiebalance, 2009 Energiebalance; IFEU, Wuppertal Institut,

9 Paradigmenwechsel: Klassische Strategien am Ende? Transformation der Fernwärme? Biomasse nicht mehr verfügbar? Leitszenario Deutschland 2010 (DLR, IWES, IfnE, 2012) / IFEU 9

10 Transformationsstrategien Fern-/Nahwärme Transformationsstrategien von fossiler zentraler Fernwärmeversorgung zu Netzen mit höheren Anteilen erneuerbarer Energien (2010 bis 2012) LowEx-günstig für Einsatz von EE KWK sinnvoll (ökonomisch und bzgl. CO2) Biomasse und Geothermie für Grund- und Mittellast der FW Geothermie konkurrenzfähig mit konv. FW Solarthermie eher untergeordnet bei FW Industrielle Abwärme sollte genutzt werden (Spannungsfeld Abwärme/KWK/EE) Fotos: H.Hertle 10

11 Kann die exergetische Bewertung Basis für richtungssichere Aussagen bieten? STOP! Was ist denn EXERGIE? EXERGIE beschreibt die Arbeitsfähigkeit der eingesetzten Energie ENERGIE QUANTITÄT EXERGIE QUANTITÄT + QUALITÄT Beispiel 1: Strom kann theoretisch* in jede beliebig andere Energie umgewandelt werden. EXERGIE = 1,0 bzw. 100% Beispiel 2: Heißes Wasser mit 100 C könnte theoretisch* noch 25% Arbeit verrichten. EXERGIE = 0,25 bzw. 25% Beispiel 3: Abwärme mit 40 C könnte theoretisch* noch 10% Arbeit verrichten. EXERGIE = 0,1 bzw. 10% * Theoretisch bedeutet in diesen Fällen: Nach Carnot (s.u.) gerechnet. 11

12 Was ist das LowEx -Konzept? Quelle Energieversorgung Energienutzung Energiequalität q 1 0 Fossile Energien, Strom Niedertemp. versorgung Fernwärme Niedertemp. 0 C 0 C versorgung Niedertemp. 55 versorgung 0 C 40 0 C Energiequalität q 1 0 Haushaltsgeräte, Beleuchtung Sauna Trinkwarmwasser Raumheizung Quelle: VTT 12

13 Brennwertkessel: Fast 100% Nutzungsgrad? EXERGIE-Ausnutzung: 3% ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH 3% IFEU: Angelehnt an EnEV - Darstellung 13

14 Weitere Faktoren: PE, EE, NE, CO2, EXERGIE 14

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16 Weitere Systeme: PE, EE, NE, CO2, EXERGIE 16

17 Weitere Systeme: PE, EE, NE, CO2, EXERGIE 17

18 Weitere Systeme: PE, EE, NE, CO2, EXERGIE 18

19 Probleme in der Praxis: Mannheim Glückstein-Quartier Einwohner, Arbeitsplätze Baustandard EnEV 30% Versorgung durch Fernwärme-Rücklauf Exergie-Ausnutzungsgrad: 9 Prozent PROBLEM: PE-Faktor dieses Areals kann heute (EnEV bzw. AGFW-Arbeitsblatt) nicht separat abgebildet werden! Foto: Stadt Mannheim 19

20 Lösung: Exergetische Allokation der Fernwärme Masterplankommunen Die Bilanzierungssystematik bzgl. Allokation der Koppelprodukte ist bei Kommunen sehr heterogen. Neben der Gutschriftenmethode wird auch die exergetische Bewertung angewandt. Im Rahmen des Workshops am mit den Masterplankommunen in Hannover wurde die exergetische Allokation befürwortet. AGFW Arbeitsgemeinschaft der Fernwärmeerzeuger Zurzeit werden bzgl. Allokation der Koppelprodukte vor allem die Gutschriftenmethode (EnEV-Nachweis) und die finnische Methode (Länderstatistik) verwendet. Die AGFW erwägt zurzeit auch, eine exergetische Bewertungsmethode einzuführen. 20

21 Systemvergleich KWK ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH Ziel: Exergie-Indikator einer Stadt kalorisch 21

22 Systemvergleich KWK ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH Ziel: Exergie-Indikator einer Stadt 22

23 Systemvergleich KWK ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH Ziel: Exergie-Indikator einer Stadt finnisch 23

24 Systemvergleich KWK ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH Ziel: Exergie-Indikator einer Stadt 24

25 Systemvergleich KWK ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH Ziel: Exergie-Indikator einer Stadt 25

26 Systemvergleich KWK ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH Ziel: Exergie-Indikator Allokation KWK einer verschiedener Stadt Methoden Emissionsfaktor g/kwh (bei % Stromwirkungsgrad) 1000 IFEU Exergie Dresdner / AGFW Faktor Strom Faktor Wärme Referenz alt Referenz neu (Finnische Methode) Stromgutschrift 600g/kWh 0 10% 1 20% 2 30% 3 40% 4 50% 5 60% 6 70% 7 26

27 Systemvergleich KWK ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH Allokationsmethode Exergie bildet die Realität gut ab Brennstoffmehrbedarf weist der Fernwärme die Emissionen zu, die der Stromerzeugung durch die Auskopplung tatsächlich verloren gehen. Handbuch: Energieeffizienz M. Pehnt 27

28 Exergieberechnung (Carnot-Methode) Sehr einfach! Tu = Umgebungstemperatur (9 C = 282 K) T A = Mediumtemperatur = Mittel aus Vorlauf- und Rücklauftemperatur z.b. FW: 125 C/70 C = 98 C im Mittel = 371 K Exergiefaktor = 1-(282/371) = 0,24 z.b. BHKW / Nahwärme: 70 C/40 C = 55 C im Mittel = 328 K Exergiefaktor = 1-(282/328) = 0,14 28

29 Carnotfaktor für verschiedene Temperaturniveaus Carnot Faktor C 29

30 Beispielrechnung BHKW (t A = 55 C) Input 1 kwh Erdgas Input 254 gco2eq Output 0,32 kwh Strom Output 0,55 kwh Wärme Verluste 0,13 kwh Mitteltemperatur 55 C Carnotfaktor 1 Strom Carnotfaktor 0,14 Wärme Exergieanteil 81% Strom Exergieanteil 19% Wärme CO2 Emissionen 205 gstrom CO2 Emissionen 49 gwärme Spezifische CO2 Emissionen 641 g/kwh SE Strom Spezifische CO2 Emissionen 89 g/kwh SE Wärme 30

31 Wärmeströme nach Temperaturniveau im KWK-System. Temperaturniveau in 7 Stufen o Hochtemperatur / Dampf CF: 0,30 o Fernwärme alt CF: 0,24 > t m ca. 98 C o Fern-/Nahwärme neu CF: 0,17 > t m ca. 65 C o BHKW / Objekt CF: 0,14 > t m ca. 55 C o Low-Ex-System CF: 0,11 > t m ca. 45 C o Abwärme CF: 0,08 > t m ca. 35 C o Raumwärme CF: 0,04 > t m ca. 20 C 31

32 Kaskadennutzung ist mit Exergie darstellbar Carnot Faktor Klassische Fernwärme PH-Flächenheizung oder Wärmepumpe Fernwärme aus dem Rücklauf C 32

33 Bewertung Kommunaler Bilanzen auf Gesamtstadtebene Hier: Klassische Energiebilanz Hans / Lothar (ca. 10 Folien) 33

34 Bilanz muss für exergetische Betrachtung aufgeweitet werden! Was fehlt? Primärenergie Sekundärenergie Endenergie Wärmeverlust- Vorketten von ist abgebildet ist abgebildet ströme sind Strom- und inkl. KWK in der Stadt nicht abgebildet Wärmelieferung (für Cascadenmüssen einbe- zogen werden! Systeme)! LowEx-Systeme müssen d dargestellt werden! 34

35 Beispiel Haushalte mit fossilen Energien (kaum Fernwärme) ANTEILE Prozesswärme Warmwasser Raumwärme Sonstiges 35

36 Beispiel: Kommune ohne Industrie ANTEILE Prozesswärme Warmwasser Raumwärme Sonstiges 36

37 Nutzung von Abwärmeströmen darstellbar (z.b. Industrie > Haushalt) Abwärmestrom (hier t m = 75 C) aus der Industrie verringert den sonstigen Endenergiebedarf bei den privaten Haushalten 37

38 Beispielkommune mit Industrie und Abwärmenutzung ANTEILE Prozesswärme Warmwasser Raumwärme Sonstiges 38

39 Exergieausnutzung ohne Fernwärme EE / PE 67% EXERGIE Ausnutzung 27,0% 39

40 Exergieausnutzung mit Fernwärme EE / PE 71% EXERGIE Ausnutzung 28,9% 40

41 Erfahrungen aus dem Projekt Ein EXERGIE-Indikator über die Gesamtstadt ist aufwändig zu erstellen aber möglich, jedoch nur langfristig aussagekräftig. Ein EXERGIE-Indikator für FOCUS-Gebiete ist weniger aufwändig zu erstellen und für die mittelfristige Planung aussagkräftig Der EXERGIE-Indikator auf Ebene der Versorgungssysteme ist leicht zu erstellen und für die Energieversorgungsplanung hilfreich Die Ergänzung durch den EXERGIE-Ausweis auf Gebäudeebene ist sehr hilfreich und basiert auf ähnlichen Annahmen Der Schlussbericht mit Darstellung von Strategien zur Entwicklung der optimierten Systeme und Lösungsansätzen zur Überwindung bestehender Hemmnisse liegt November 2013 vor Dann wird auch das ein EXCEL zur einfachen Gesamtbewertung von Energiesystemen fertig gestellt sein. 41

42 Für die schnelle Abschätzung einer Gesamtbewertung von Energiesystemen erarbeiten wir noch ein EXERGIE-Arbeitsblatt Beispiel: Guter Dämmstandard Ressourcen Budgetansatz EXERGIE Primärenergie CO2 EEQ/Abfall Dämmstandard 50 kwhne/qm*a Gas-Brennwertkessel Nachtspeicherheizung Pelletkessel BW-Kessel+40% Solar Luft/Wasser-WP Erdwärmepumpe FW Gross neu FW Gross neu RL Abwärme Industrie (60 C) KWK Ferndampfsystem alt KWK Fernwärmesystem klassisch KWK Nahwärme Biogas solar + BHKW Tiefengeothermie 42

43 Das Exergie-Arbeitsblatt (EXCEL) wird auf Siedlungsstrukturtypen bzw. Einwohnerdichten und Dämmstandards aufbauen C Quelle: BTU Cottbus Lehrstuhl Stadttechnik

44 Verschiedene Marker (z.b. Wärmedichte) werden eingearbeitet Annahme: 200 EW/ha ( GFZ = 0,8 ) Warnung bei geringen Wärmedichten Budgetansatz Ressourcen EXERGIE Primärenergie CO2 EEQ/Abfall Dämmstandard 50 kwhne/qm*a Wärmenetze Gas-Brennwertkessel 0 nicht relevant Nachtspeicherheizung 0 nicht relevant Pelletkessel 0 nicht relevant BW-Kessel+40% Solar 0 nicht relevant Luft/Wasser-WP 0 nicht relevant Erdwärmepumpe 0 nicht relevant FW Gross neu 1 FW Gross neu RL 1 Abwärme Industrie (60 C) 1 KWK Ferndampfsystem alt 1 KWK Fernwärmesystem klassisch 1 KWK Nahwärme Biogas 1 solar + BHKW 1 Tiefengeothermie 1 Analog könnten auch Marker für hohen Ressourcenverbrauch (z.b. Biomasse) oder notwendige Niedertemperaturheizflächen etc. gesetzt werden. 44

45 Output des Projektes für Kommunen (I) Einführung und Anleitung zur Exergieberechnung Darstellung von Energiesystemen mit langfristigen Indikatoren Exergetische Optimierungsmöglichkeiten auf Gebäudeebene Anleitung zur u.a. exergetischen Optimierung von Fokusgebieten unterschiedlicher Siedlungsstruktur Anleitung zur exergetischen Bilanzierung der Gesamtstadt Strategien zur Erreichung des Zieles einer Null-Emissions-Kommune 45

46 Output des Projektes für Kommunen (II) EXERGIE-Arbeitsblatt (EXCEL) mit > Rechenblättern zur exergetischen Allokation von KWK-Systemen > Gesamtbewertung von Energiesystemen > Gesamtbewertung von Fokusgebieten auf Basis von Siedlungsstrukturtypen und Dämmstandards 46

47 Herzlichen Dank für Ihren Aufmerksamkeit! (Projektleiter) ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH Wilckensstraße Heidelberg Fon: +49 (0) 6221 / Fax: +49 (0) 6221 / hans.hertle@ifeu.de 47