SOLNET.BW Solare Wärmenetze Baden-Württemberg

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1 Programm Lebensgrundlage Umwelt und ihre Sicherung (BWPLUS) Zwischenbericht anlässlich des Statuskolloquiums Umweltforschung Baden-Württemberg 2014 am 12. und 13. Februar 2014 im KIT-Campus Nord SOLNET.BW Solare Wärmenetze Baden-Württemberg von Thomas Pauschinger Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme (Solites), Stuttgart Förderkennzeichen: BWE BWE Die Arbeiten des Programms Lebensgrundlage Umwelt und ihre Sicherung werden mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg gefördert

2 SOLNET.BW Solare Wärmenetze Baden-Württemberg SOLNET.BW Solare Wärmenetze Baden-Württemberg Vorhaben BWE im Baden-Württemberg Programm BWPLUS Vortragsmanuskript für das Statuskolloquium Umweltforschung Baden-Württemberg 2014 Koordinator: Steinbeis Innovation ggmbh (SIG) Willi-Bleicher-Straße 19, D Stuttgart Ausführende Stelle: Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme (Solites) Projektleiter: Thomas Pauschinger Meitnerstr. 8, D Stuttgart T , E.

3 INHALTSVERZEICHNIS BILD AUF TITELSEITE Deutschlands größte Solarthermieanlage mit einer Kollektorfläche von 7500 m² bzw. einer Nennleistung zur Wärmeerzeugung von 5,3 MW th wird in Crailsheim von den örtlichen Stadtwerken betrieben. Das Bild zeigt einen Teil der Kollektorfelder auf einem Lärmschutzwall. Die Anlage in Crailsheim ist eine von elf in Deutschland realisierten solarthermischen Großanlagen mit saisonaler Wärmespeicherung. Vier dieser elf Pilotanlagen wurden in Baden-Württemberg errichtet und zum Teil vom Land finanziell gefördert. INHALTSVERZEICHNIS 1. Beteiligte Institutionen Kurzbeschreibung Problemlage Ziele und Ergebnisse des Verbundprojekts Stand der Wissenschaft und Technik Arbeitsplan Literatur:... 8

4 1. BETEILIGTE INSTITUTIONEN 1. BETEILIGTE INSTITUTIONEN Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme als Unternehmen der Steinbeis Innovation ggmbh (Koordinator) Meitnerstr. 8, Stuttgart, AGFW-Projektgesellschaft für Rationalisierung, Information und Standardisierung mbh Stresemannallee 30, Frankfurt/Main, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung der Universität Stuttgart Heßbrühlstraße 49a, Stuttgart, HIR Hamburg Institut Research ggmbh Paul-Nevermann-Platz 5, Hamburg, Solites AGFW IER HIR Die Einbindung der KEA erfolgt im Unterauftrag: Klimaschutz- und Energieagentur Baden-Württemberg GmbH Kaiserstraße 94a, Karlsruhe, KEA

5 2. KURZBESCHREIBUNG 2. KURZBESCHREIBUNG Das Vorhaben SOLNET.BW zielt auf eine umfassende Marktbereitung für solare Wärmenetze in Baden- Württemberg ab. Solare Wärmenetze sind Wärmeversorgungssysteme, welche Wohn- oder Industriegebiete über große solarthermische Kollektorfelder und Wärmenetze zu Anteilen mit erneuerbarer, emissionsfreier Solarwärme versorgen. In den letzten Jahren zeigt sich europaweit ein zunehmendes Interesse seitens der Stadtwerke und Fernwärmeversorger, aber auch seitens der Kommunen, der Wohnbaubranche und lokaler Energieinitiativen am kommerziellen Einsatz dieser Technologie. In Dänemark erfährt sie aufgrund besonderer Marktbedingungen einen Boom. Experten sehen den Anteil der Solarthermie am Fernwärmeangebot langfristig bei bis zu 15 %. Der AGFW als deutscher Industrieverband für Fernwärme und Kraft-Wärme-Kopplung verfolgt für Deutschland einen Ausbau der Solarthermie in Wärmenetzen bis 2020 mit m² Kollektorfläche. Baden-Württemberg kann hierbei eine Vorreiterrolle übernehmen. Die Partner des Vorhabens SOLNET.BW möchten diese Entwicklung durch Maßnahmen zur Verbesserung der Rahmenbedingungen und eine intensivierte Marktbereitung aktiv unterstützen. Konkretes Ziel ist die Initiierung von Neuanlagen in Baden-Württemberg mit einer Leistung von 35 MW th ( m² Kollektorfläche) bis Projektende und, mittelfristig, von 140 MW th ( m² Kollektorfläche) bis zum Jahr PROBLEMLAGE Der Umbau der Energieversorgung mit dem Ziel, den Anteil erneuerbarer Energien deutlich zu erhöhen und sie in wenigen Jahrzehnten zur tragenden Säule des Energiesystems zu machen, erfolgt bislang mit einem starken Fokus auf die Stromversorgung, während der Wärmesektor in allen Belangen hinterherhinkt. Doch auch in der Wärmeversorgung müssen in Zukunft erneuerbare Energien viel stärker zum Einsatz kommen, um Klimaschutzziele einzuhalten und die Abhängigkeit von den fossilen Energieträgern zu reduzieren. Zur Wärmeversorgung mit erneuerbaren Energien stehen Solarstrahlung, Bioenergie in ihren verschiedenen Formen und Geothermie zur Verfügung. Um diese Energiequellen möglichst optimal in den Wärmemarkt zu integrieren, ist eine zentrale Wandlung in Wärme mit anschließender Verteilung über Wärmenetze an die Verbraucher, z.b. aus Gründen der Effizienz oder der Kostendegression, in vielen Fällen vorteilhaft gegenüber einer Wandlung in vielen Einzelanlagen. Aus technischen Gründen ist eine netzgebundene Wärmeversorgung sogar oftmals Grundvoraussetzung: Da die Bioenergie auf lange Sicht aufgrund von Nutzungskonkurrenzen nur einen begrenzten Beitrag leisten kann und die tiefe Geothermie nicht überall nutzbar ist, ist abzusehen, dass die thermische Nutzung der Solarenergie beim Umbau der Wärmeversorgung eine große Rolle spielen wird. Um signifikante Deckungsbeiträge zu erreichen, sind jedoch solarthermische Großanlagen in Kombination mit saisonalen Wärmespeichern erforderlich, die notwendigerweise mit Wärmenetzen gekoppelt werden müssen. Im bislang vorliegenden Entwurf des Integrierten Energie- und Klimaschutzkonzepts (IEKK) der Landesregierung Baden-Württemberg haben deshalb die Solarthermie und speziell die solaren Wärmenetze als Beitrag zur Energiewende im Wärmemarkt einen hohen Stellenwert. Ein wesentliches Hemmnis für den Ausbau solarer Wärmenetze besteht darin, dass es bislang in Deutschland und in Baden-Württemberg, abgesehen von den großen Fernwärmenetzen, nur wenige Wärmenetze gibt, in die solarthermische Großanlagen integriert werden können. Außerdem bleibt der Bau solarthermischer Großanlagen im Freiland oder auf Großdächern in Baden-Württemberg auf die vier Demonstrationsprojekte Friedrichshafen, Neckarsulm, Crailsheim und Eggenstein-Leopoldshafen beschränkt. Die unlängst in Betrieb genommene Anlage im Bioenergiedorf Büsingen ist hierzu eine Ausnahme und ein wichtiger Schritt in Richtung einer breiteren Technologieumsetzung. Um die gesteckten

6 4. ZIELE UND ERGEBNISSE DES VERBUNDPROJEKTS Ziele zu erreichen, ist es deshalb dringend erforderlich, eine entsprechende Ausbaudynamik bei den solaren Wärmenetzen in Gang zu setzen. Weiter führt der Ausstieg aus der Atomenergie, allgemein als Energiewende bezeichnet, einhergehend mit der starken Förderung und dem damit verbundenen deutlichen Ausbau regenerativer Stromerzeugung in Deutschland, zu grundlegend neuen Anforderungen im Energiesektor. Die aktuellen Diskussionen in Deutschland zeigen, dass durch die vermehrte Zunahme der sommerlichen Stromproduktion aus Photovoltaik und der ganzjährigen Stromproduktion aus Wind erste Großkraftwerke nicht mehr rentabel betrieben werden können und daher vollständig abgeschaltet werden. Ein Blick nach Dänemark, das schon einen deutlich höheren regenerativen Stromanteil als Deutschland hat, zeigt mögliche zukünftige Entwicklungen auch für den deutschen Energiemarkt: regenerative Energien ersetzen vermehrt die (sommerliche) Stromproduktion vollständig. Dies führt dazu, dass die vorhandenen Fernwärmesysteme, die seither durch die Abwärme von Heizkraftwerken mit Kraft-Wärme-Kopplung betrieben wurden, ihre Wärmequelle verlieren. Hier zeigt sich, dass je nach technisch-wirtschaftlichen Randbedingungen der Einsatz von Wärmenetzen in Kombination mit großvolumigen Wärmespeichern und großen Solarthermieanlagen eine bereits heute machbare, wirtschaftliche und flexible Lösung zur Sicherstellung der Strom- und Wärmeversorgung ganzer Siedlungen und Städten darstellt. 4. ZIELE UND ERGEBNISSE DES VERBUNDPROJEKTS Ziel des Vorhabens ist die Unterstützung der Marktentwicklung von solaren Fernwärmesystemen in Baden- Württemberg durch (1) eine Verbesserung der politischen, rechtlichen und ökonomischen Randbedingungen und (2) Maßnahmen zur Markteinführung. Quantifizierbare Vorhabenziele: Initiierung von Neuanlagen in Baden-Württemberg mit einer Leistung von 35 MW th ( m² Kollektorfläche entsprechend einer Investition von ca. 15 Mio. Euro) bis Projektende und, mittelfristig, von 140 MW th ( m² Kollektorfläche entsprechend einer Investition von ca. 60 Mio. Euro) bis zum Jahr Technische Ausrichtung Einbindung solarthermischer Großanlagen im Leistungsbereich 1-10 MW th in Wärmenetze für (1) Energiedörfer (Bsp. Büsingen), (2) mittelgroße städtische Wärmenetze (Bsp. Crailsheim) und (3) große städtische Fernwärme (laufende Kooperationen mit der EnBW und weiteren Fernwärmeversorgern). Fortentwicklung bisheriger konventioneller Fernwärmekonzepte hin zu umfassenden Systemen nach dänischem Vorbild: Absenkung der Vor- und Rücklauftemperaturen, intelligente Kopplung von Strom- und Wärmeerzeugern über Fernwärmesysteme in Kombination mit großen Wärmespeichern, KWK, Wärmepumpen und großen Solarthermieanlagen. Strategische Ausrichtung Für die Erreichung des o.g. Ziels sollen (1) die bestehenden rechtlichen, politischen sowie technischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen analysiert, (2) Empfehlungen zur Verbesserung der genannten Rahmenbedingungen ausgearbeitet und konkrete Vorschläge für rechtliche Vereinfachungen, Geschäftsmodelle und genossenschaftliche Organisationsformen entwickelt werden; schließlich (3) soll dieses erweiterte Wissen zu solaren Wärmenetz-Lösungen an kommunale Entscheidungsträger, Marktakteure und Bürger herangetragen werden. Die Einbeziehung bürgerschaftlichem Engagements ist erforderlich, um den Umstrukturierungsprozess auf eine gesellschaftlich breite Basis zu stellen. Neben der erhöhten Akzeptanz von Infrastrukturinvestitionen kann über geeignete Modelle der Bürgerbeteiligung auch privates Kapital zur Umsetzung mobilisiert werden. Bürgerinformation und Bürgerbeteiligungsmodelle werden daher als wichtiges Element zur Technologieverbreitung angesehen.

7 5. STAND DER WISSENSCHAFT UND TECHNIK 5. STAND DER WISSENSCHAFT UND TECHNIK Stand der Technik Solarthermische Großanlagen mit einer Einbindung in Fernwärmenetze wurden erstmals in den späten 70er- Jahren errichtet. Erste Demonstrationsprojekte wurden in Schweden, den Niederlanden und Dänemark realisiert; Mitte der 90er Jahre folgten Projekte in Deutschland und Österreich. Bis heute wurden europaweit ca. 176 Anlagen mit einer Nennleistung über 350 kw th und ca. 61 Anlagen mit einer Nennleistung über 1 MW th realisiert. Die insgesamt europaweit installierte Leistung an solarthermischen Großanlagen beträgt derzeit 329 MW th. Der Zubau im Jahr 2012 betrug 17,6 %. Solare Nah- und Fernwärmesysteme sind somit nach wie vor in einer frühen Marktphase. Lediglich ca. 1 % der installierten Leistung von Solarwärmeanlagen entfällt auf Großanlagen mit Einbindung in ein Wärmenetz, obwohl gerade bei diesen Anwendungen konkurrenzfähige Wärmekosten unter 50 /MWh erzielt werden können. Gute Marktchancen für solare Fernwärmesysteme bestehen für folgende Situationen oder Ansätze: die Ergänzung reiner Heizwerke mit Solarthermie die Kombination mit KWK-Anlagen, bei denen aufgrund höherer Anteile von Strom aus Windenergie und Photovoltaik im Netz andere Fahrweisen erforderlich werden die Entwicklung neuer Geschäftsmodelle und Vermarktungsansätze für Fernwärme in Kombination mit Solarwärme Ein wesentlicher Erfolgsfaktor bisheriger Realisierungen war die Einbindung eines oder mehrerer lokaler Akteure mit Know-how und Interesse an der Umsetzung und Demonstration dieser Technologie. Meist sind dies eine Kommune, lokale Stadtwerke, ansässige Hersteller oder eine Kombination dieser Akteure. Eine vermehrte Umsetzung und Demonstration von Anlagen ist erforderlich, um in neuen Märkten anfängliche Hemmnisse zu überwinden und in den Vorreiter-Ländern mittelfristig nennenswerte Anteile der Solarthermie in der Fernwärmeversorgung zu erreichen. Quellen: /1, 2, 3, 4/ Unterschiedliche Konzepte solarer Fernwärmesysteme In den unterschiedlichen Ländern wurden verschiedene Konzepte solarer Fernwärmesysteme verfolgt. Die zwei wesentlichen Unterscheidungsmerkmale sind: die Art der Einbindung der thermischen Solaranlage (zentrale vs. dezentrale Einbindung) die Größe des Wärmenetzes, in welches solare Wärme eingespeist wird. Die Bandbreite reicht hier von Nahwärmesystemen zur Versorgung mehrerer Gebäude (Beispiel Stuttgart Burgholzhof, 1700 m² Kollektorfläche) über Systeme zur Versorgung von Neubaugebieten (Beispiel Crailsheim, 7500 m² Kollektorfläche) oder Bioenergiedörfern (Beispiel Büsingen, 1200 m² Kollektorfläche) bis hin zur Einbindung in große städtische Fernwärmesysteme (laufende Kooperationen mit der EnBW und weiteren Fernwärmeversorgern).

8 5. STAND DER WISSENSCHAFT UND TECHNIK Zentrale Einbindung: Die thermische Solaranlage wird zentral an einem Heizwerk, oftmals in Kombination mit einem großen saisonalen Wärmespeicher, eingebunden. Abb.: Zentrale Einbindung in Nah- und Fernwärmenetze Dezentrale Einbindung: Die thermische Solaranlage wird dezentral an einem geeigneten Ort in das Fernwärmenetz eingebunden. Oft nutzen solche Solaranlagen das Wärmenetz als Wärmespeicher. Abb.: Dezentrale Einbindung in Nah- und Fernwärmenetze Potenzial Experten betrachten europaweit einen Anteil der Solarthermie an der Fernwärme von ca. 1 % für die nächsten Jahren als wirtschaftlich umsetzbar. Das langfristige Potenzial wird in /3/ je nach Entwicklungsszenario auf 7 bis maximal 28 % geschätzt. Unter der Voraussetzung der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit strebt der AGFW in Anlehnung an die Langfristszenarien des Bundesumweltministeriums folgende Anteile der Solarthermie in deutschen Fernwärmenetzen an: 1 % bis zum Jahr 2020, 10 % bis zum Jahr 2030, 15 % bis zum Jahr 2050 /4/. Bis 2020 entspricht die einer Kollektorfläche von m². Das Fraunhofer-Institut ISE kommt in einer aktuellen Studie zur Vollversorgung des deutschen Wohnungssektors aus erneuerbaren Energien /5/ zu dem Ergebnis, dass die volkswirtschaftlich kostengünstigste Variante bei einer energetischen Gebäudesanierung auf 65% des heutigen Wärmebedarfsniveaus liegt und einer Deckung des verbleibenden Wärmebedarfs durch erneuerbare Energien. Für die Solarthermie wurde hierbei eine erforderliche Fläche von 190 Mio. m² ermittelt, die zum Großteil an Wärmenetze gebunden ist.

9 6. ARBEITSPLAN 6. ARBEITSPLAN Die Umsetzung des Vorhabens gliedert sich in folgende Phasen: Grundlagenermittlung a. Analyse der Ausgangssituation b. Potenzialermittlung Strategieentwicklung a. Identifikation und Analyse potenzieller Entwicklungsansätze für Baden-Württemberg b. Entwicklung einer umfassenden Handlungsstrategie; Erarbeitung von Handlungsempfehlungen und eines Aktionsplans c. Entwicklung einer Initiative zur Markteinführung Durchführung einer Initiative zur Markteinführung Zielgruppen: Umsetzer (Kommunen, Versorgungsunternehmen und Initiativen) a. Erstellung von Materialien, Medien und Kommunikationsinstrumenten für die Marktbearbeitung b. Zielgruppenorientierte Veranstaltungen und Verbreitungsaktivitäten c. Maßnahmen zur intensivierten anfänglichen Unterstützung von interessierten Umsetzern (Kommunen, Unternehmen und Initiativen) bei der Entwicklung von Projekten / Pilotprojekten d. Förderung von Unternehmen aus Baden-Württemberg auf diesem Sektor (Wissenstransfer, Geschäftsreisen) e. Mediale Aufbereitung und Öffentlichkeitsarbeit Sowohl die Grundlagenermittlung als auch die nachfolgende Strategieentwicklung erfolgen umfassend. Sie adressieren die politischen, rechtlichen, technischen und ökonomischen Rahmenbedingungen sowie eneergiewirtschaftliche und Marktaspekte sowie Aspekte der Bürgerakzeptanz und -beteiligung. Die Projektlaufzeit beträgt 30 Monate von LITERATUR /1/ Success factors in Solar District Heating, Jan-Olof Dalenbäck, CIT Energy Management AB, Göteborg, SE, December 2010, /2/ Boundary conditions and market obstacles for Solar District Heating, Jan-Olof Dalenbäck, CIT Energy Management AB, Göteborg, SE, July 2012, /3/ Market for Solar District Heating, Jan-Olof Dalenbäck, CIT Energy Management AB, Göteborg, SE, August 2012, /4/ Solare Fernwärme Marktstatus 2012 für Europa und Deutschland, Thomas Pauschinger, Solites, Heiko Huther, AGFW, Januar 2013, /5/ 100% Erneuerbare Energien für Strom und Wärme, Hans-Martin Henning, Andreas Palzer, Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme, 2012