Moderne gasbasierte Heizungsalternativen zum Brennwertkessel für den Ein- und Mehrfamilienhausbereich

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1 Moderne gasbasierte Heizungsalternativen zum Brennwertkessel für den Ein- und Mehrfamilienhausbereich 2. Wärmemarkt-Kongress Heizungssysteme im Praxisvergleich Messe Stuttgart DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut Dr. Holger Dörr 1

2 Motivation Rolle des Energieträgers Gas in einem zukünftigen Energieversorgungssystem DVGW-Innovationsinitiative Gas-Plus-Technologien Aktuelle Daten Wie sieht es im Neubaubereich aus? Herausforderungen ErP Primärenergiefaktoren Herausforderungen m-kwk Chancen m-kwk KWK: Welcher Maßstab? Gaswärmepumpen für MFH und kleines Gewerbe Wärmepumpen-Brennwert-Hybrid-Geräte Erfahrungen aus dem Feld Zusammenfassung 2

3 Rolle des Gases in einem zukünftigen Energieversorgungssystem eine Perspektive Vernetzung der Energieträger Kernenergie Strom Gas Erdgas CO 2 -Abtrennung Kohle Erneuerbare Energien, Wind Strom-Langzeitspeicher Power-to-Gas (PtG) Wasserstoff SNG GuD-Kraftwerke Bedarfsorientierung! Kraft- Wärme- Kopplung Biogas -NAWARO -SNG aus Holz Synthetisches Gas (z.b. aus Kohle mit CO 2 -Abtrennung) Nutzung von elektrischer Energie und Wärme Ressourcenschonung Stabilisierung der Netze 3

4 DVGW-Innovationsoffensive Gas-Plus-Technologien GasPlus-Lab in Karlsruhe DVGW-Innovationsinitiative Solarthermie plus Brennwertkessel Umweltwärme plus Gas Wärme plus Strom aus Gas 4

5 Aktuelle Daten Endenergienutzung in der EU, Quelle beide Bilder: BDH, Effiziente Systeme und erneuerbare Energien (2013) Gesamtbestand der zentralen Wärmeerzeuger in Deutschland 5

6 Aktuelle Daten Bestand vs. Neubau: Rollen von E-Wärmepumpen und Gas-Brennwert Quelle: BDH,

7 Wie sieht es im Neubaubereich aus? Erdgas noch dominierend Wärmepumpen holen auf (Wärmebedarf) Fernwärme spezifischer Wärmebedarf sinkt aufgrund von Dämmung Zahlen für 2012 Quelle: BDEW 2103 Rückgang der Erdgaserschließung (Erschließungsgrad auf hohem Niveau) 7

8 Herausforderung ErP (Dokument 2010/30/EU Nr. 811/ 2013) Primärenergiefaktor spiegelt Wertigkeit / Vielseitigkeit einer Energieform wider. Entwicklung des Primärenergiefaktors Strom: f PE, El = Erdgas: f PE, NG = 1.1 Quelle: BDH 2013 Strombasierte Technologien aufgrund f PE -Entwicklung werden attraktiver! Primärenergiefaktoren sind ganzjährig, keine Differenzierung Sommer/Winter. 8

9 Herausforderung Primärenergiefaktoren Strombasierte Technologien aufgrund f PE -Entwicklung werden attraktiver! Zukünftig weiterer Ausbau von elektrisch betriebenen Heizungen. Nachtspeicheröfen dürfen vorerst weiterbetrieben werden (Power-to-Heat) Rebound-Effekt von Windstrom- und PV-Zuwächsen - wertvoller Strom Wärme Primärenergiefaktoren sind ganzjährig, keine Differenzierung Sommer/Winter. Zeit maximalen Wärmebedarfs: Wenig Sonne, mitunter wenig Wind! Luft/Wasser-Wärmepumpen arbeiten weniger effektiv als Labordaten suggerieren (Quelle: ISE 2010) Felddaten 2,9 Labordaten = 3,2-4,2 JAZ = Wärmemenge / Strommenge Quelle: Dörr,

10 Übersicht von gasbasierten Heizungstechnologien Brennwert + Solar m-kwk-systeme Otto-Gasmotor Stirling Brennstoffzellen SOFC und PEM-FC Gaswärmepumpen gasmotorische Wärmepumpen Gasabsorptionswärmepumpen Gasadsorptionswärmepumpen Gasbrennwert-Elektrowärmepumpen-Hybridgeräte 10

11 Übersicht von gasbasierten Heizungstechnologien Brennwert + Solar: etabliert und großes Angebot Solarthermie: Flach- und Röhrenkollektorsysteme Solarspeicher: Schichten-Kombispeicher solare Deckungsgrade des Wärmebedarfs bis über 50 % möglich (optimale Auslegung) 11

12 Übersicht von gasbasierten Heizungstechnologien m-kwk-systeme Otto-Gasmotor 100 % Wärmesenke Stirling 235 % Brennstoffzellen SOFC und PEM-FC 67 % Stromkennzahl = Leistungsabgabe elektr / Leistungsabgabe therm Anodenstabilisierte SOFC 16 % 12

13 Mikro-KWK: Typische Konfiguration Grundlast Spitzenlast Entkopplung von Wärmebedarf und -angebot zur KWK- Laufzeitmaximierung KWK-Einheit Spitzenlastkessel mit smart-metering Smart Grids: stromund wärmegeführter Betrieb Wärmespeicher für Heizung bzw. Warmwasser Platz-, Wärme- und Strombedarf, Installations- u. Betriebshinweise!!! Paradigmenwechsel: Laufzeitoptimierung der KWK-Einheit 13

14 GasPlus-Lab Mikro-KWK: Typische Konfiguration Spitzenlastkessel Heizung Pufferspeicher KWK-Einheit (hier: Gasmotor) Warmwasserauskopplung Steuerung Wärmeauskopplungsmodul Quelle: Vaillant 14

15 GasPlus-Lab: Forschungs-, Test- und Demonstrationsplattform für moderne Gasanwendungstechnologien, dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung und Smart-Metering Mikro-KWK-Kaskade Anlagenschema 15

16 GasPlus-Lab: Forschungs-, Test- und Demonstrationsplattform für moderne Gasanwendungstechnologien, dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung und Smart-Metering aktuell wärmegeführt durch Anforderung aus dem Objekt GasPlus-Lab-Systeme: Grundlast zur Rücklaufanhebung, 1. Priorität Mikro-KWK-Kaskade Heizraum: Anlagenschema Temperaturanhebung und Spitzenlast (ZHG: Zusatzheizgerät) verschiedene Kaskadenbetriebsmodi möglich Optimierungsansätze (Grädigkeit, Hysterese Wärmespeicherung,) Paradigmenwechsel Bivalente Wärmeerzeuger Speichermanagement Laufzeitoptimierung KWK Systemgedanke Installationsaufwand SHK- & E-Handwerk i.d.r. keine 1:1 Austauschlösung für Heizkessel im EFH/MFH Option: Kombi E-WP + Brennwertgerät 16

17 Mikro-KWK im GasPlus-Lab: Otto-Gasmotor Vaillant ecopower 3.0 Vaillant ecopower 1.0 Elektr. Leistung: 1,3-3 kw Therm. Leistung: 4,0 8,0 kw Elektr. Wirkungsgrad: 25 % Gesamtwirkungsgrad 90 % Brennstoff: Erdgas, Flüssiggas Elektr. Leistung: 1 kw Therm. Leistung: 2,5 kw Elektr. Wirkungsgrad: 26 % Gesamtwirkungsgrad 92 % Brennstoff: Erdgas 17

18 Mikro-KWK im GasPlus-Lab: Stirling Microgen-Stirling Elektr. Leistung: 1 kw Therm. Leistung: 6 kw Elektrischer Wirkungsgrad KWK: %. Gesamtwirkungsgrad KWK: ~90 % Typ: Freikolben-Stirling (Microgen) Zusatzbrenner: 6 18/20 kw Brennstoff: Erdgas, Flüssiggas Viessmann Vitotwin 300-W wandhängend Markteinführung 2011 Senertec Dachs Stirling SE integriertes Sytem mit Pufferspeicher SE 530 Markteinführung: IX

19 Mikro-KWK im GasPlus-Lab: Brennstoffzellen Hexis Galileo 1000N Elektr. Leistung BZ: 1 kw Therm. Leistung BZ: 2 kw Elektrischer Wirkungsgrad BZ: 30 % (Ziel: > 35 %) Gesamtwirkungsgrad BZ: 90 % Typ: SOFC Zusatzbrenner: 4-20 kw Brennstoff: Erdgas Baxi Innotech Gamma 1.0 Elektr. Leistung: 1,0 kw Therm. Leistung: 1,7 kw Elektrischer Wirkungsgrad BZ: 32 %. Gesamtwirkungsgrad BZ: 85 % Typ: PEM-BZ Zusatzbrenner: 3,5-15 / 20 kw Brennstoff: Erdgas 19

20 Herausforderungen m-kwk typische Investitionsmehr- und Systemkosten für m-kwk-systeme rel. zum Brennwertkessel, aber vergleichbar mit BW+solar oder E-WP 20

21 m-kwk: Chancen Vorteil KWK: Nutzung der Wärme bei der Stromerzeugung (vgl. Großkraftwerk ohne Wärmenutzung) Mikroökonomisch hoher gleichmäßiger Wärme- und Strombedarf gerade bei ungünstigen Voraussetzungen für Wärmepumpen, Brennwert & Solar bzw. Dämmung Strompreisentwicklung Insellagen Fördermittel Makroökonomisch Dezentralisierung statt Netzausbau m-, m-kwk schnell realisierbar Netzregulierung über stromgeführte KWK 21

22 KWK: Welcher Maßstab? m/m-kwk - Kauf oder Contracting: EVU als Energiedienstleister planbarer Betrieb Einzelobjekte sub-1 kw el, 1 kw el -Systeme, ab kleine MFH 3-5 kw el aktives Contracting 1 kw el Vaillant Nahwärme (KWK) große MFH ab 20 kw el, auch Kaskaden (auch für Gaswärmepumpen) kleine Areale Fernwärme große Areale, städtische Strukturen 3-4,7 kw el Vaillant 20 kw el Senertec 22

23 Gaswärmepumpen gasmotorische Wärmepumpen: ab 25 kw thermisch, Kaskaden, Wärme und /oder Kühlen möglich, hocheffizient Heizleistungszahl ~150 % Gasabsorptionswärmepumpen: ab 35 kw thermisch (Robur u. OEM), Kaskaden, Wärme und /oder Kühlen möglich, hocheffizient Heizleistungszahl ~170 %, kleinere Systeme (Robur/Buderus 18 kw, Viessmann) in der Entwicklung / Freigabe Gasadsorptionswärmepumpen: EFH kw thermisch, Wärme, Heizleistungszahl ~130 % Vaillant Zeotherm (Solar+GAWP), Viessmann Vitosorp 200-F Insgesamt - verglichen mit E-Wärmepumpen - wenige Systeme marktverfügbar! 23

24 Nutzungsgrade /% Heizzahlen /1 Gaswärmepumpen (~40 kw th ) für MFH und kleines Gewerbe Beobachtungsintervall Nutzungsgrade und Heizzahlen GWP-Nutzungsgrad GWP-Heizzahl Monate 15 Monate 1,6 1, ,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Labor GS 35/28* Labor GS 55/45 GWP24 GWP30 Felddaten Sole/Wasser-GWP 0,0 Quelle: EBI o Umweltwärmebeiträge von ca. 50 % - hocheffizient! o Positiv: rel. geringe Abweichung zwischen Labordaten u. Felddaten, Eignung der VDI (s. GWP24 u. GWP30) o Heiznetze C (Vorlauftemperatur) 24

25 Nutzungsgrad /% Gaswärmepumpen (~40 kw th ) für MFH und kleines Gewerbe Nutzungsgrade gegen monatliche GWP-Wärmeabgabe GWP24 GWP30 GWP19 GWP101* GWP103* Auch bei kleinen Wärmeabgaben sind hohe Nutzungsgrade bei gut eingestellten Anlagen möglich (GWP 24, GWP30) Wärmemenge /kwh/monat Nutzungsgrade als Funktion der monatlichen Wärmeabgabe * kennzeichnet Anlagen mit teilweise interpolierten Monatswerten Quelle: EBI (2012) 25

26 Wärmepumpen-Brennwert-Hybrid-Geräte Das Beste aus beiden Welten (Gas & Strom) Junkers CerapurAero (Einführung in 2012/2013) ZSBH 16-4 / ZSBH 26-4, Brennwert: max. 14 / 24 kw E-Wärmepumpe 2 kw th, COP 3.4 (+7/35 C, EN 14511) bivalenter Betrieb abhängig von der Lufttemperatur Austauschlösung < 6 k Remeha Tzerra HP (2013) Split-Hybrid Luft/Wasser- Wärmepumpe Brennwertkessel Quelle: Remeha Quelle: Junkers 26

27 Erfahrungen aus dem Feld Fokus mehr zum System notwendig - allgemeine Aussagen (auch für Heizkessel, Fernwärme) Einbindung des Geräts in Mess-, Steuer- und Regel- (MSR-)Technik Speichermanagement (MSR-Technik) hydraulische Verschaltung - Zirkulation, wieviel? Grädigkeit: Heizungs- u. Warmwassertemperaturen soviel wie nötig Bivalente Systeme: Umschaltregime zwischen 1. und 2. Wärmeerzeuger (Spitzen- / Minimallast) Optimierungen: Wärme / Komfort / Wirtschaftlichkeit / Klimabilanz (CO 2 ) teils andere Priorisierungen KWK: Laufzeit bzw. Strommenge (Reboundpotential - Wärme scheinbar gratis) 27

28 Zusammenfassung Neue Technologien und marktverfügbare Geräte. Komplexere neue Technologien (z.b. bivalente System, Speichereinbindung) Ergänzung und Ersatz zu hocheffizienten Bestandstechnologien (Brennwertkessel) Neue gesetzliche Anforderungen (regenerativ, ErP) KWK: wärmegeführt oder mehr stromgeführt (Anforderung aus dem Stromnetz) KWK: Laufzeitoptimierung wg. Kostendeckung dynamische Förderkultur (viele Programme, Planbarkeit) Weiterhin die Möglichkeit mit gasbasierten Technologien das Stromnetz zu entlasten! Anspruchsvolle Kunden Informationsmöglichkeiten: z.b. GasPlus-Lab in Karlsruhe Chancen für Kunden, Handwerk und Energiedienstleister! 28

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 29