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Energiewende Nordhessen. Technische und ökonomische Verknüpfung des regionalen Strom- und Wärmemarktes

Forschungsarbeit 2013 57 Seiten

Energiewissenschaften

Leseprobe

Inhalt

1 Zusammenfassung

2 Einleitung

3 Bestandsanalyse
3.1 Methodik
3.2 Vorgehensweise und Einzelergebnisse Bottom-Up-Methode
3.2.1 Solarthermie
3.2.2 Wärmepumpen
3.2.3 Elektrische Heizsysteme
3.2.4 Blockheizkraftwerke
3.2.5 Heizkraftwerke / Heizwerke / Fernwärme
3.2.6 Dezentrale Feuerungsanlagen
3.2.7 Zusammenfassung Bottom-Up-Methode
3.3 Vorgehensweise und Ergebnisse Top-Down-Methode
3.3.1 Haushaltssektor
3.3.2 Sektor Gewerbe, Handel und Dienstleistung
3.3.3 Industriesektor
3.3.4 Zusammenfassung Top-Down-Methode
3.4 Vergleich der Methoden
3.5 Zusammenfassung Bestandsanalyse

4 Technologiebeschreibung
4.1 Solarthermie
4.2 Wärmepumpen
4.3 Elektrische Heizsysteme
4.4 Kraft-Wärme-Kopplung
4.5 Heizwerke
4.6 Dezentrale Feuerungsanlagen
4.7 Zusammenfassung Technologiebeschreibung

5 Potenzialanalyse
5.1 Potenziale Energieeinsparung
5.2 Potenziale Solarthermie
5.3 Potenziale Bioenergie
5.4 Potenziale EE-Überschussstrom
5.5 Zusammenfassung der Potenzialanalyse

6 Szenarien zur Entwicklung der regionalen Wärmeversorgung
6.1 Generierung der Zeitreihen
6.1.1 Windenergie
6.1.2 Solarthermie
6.1.3 Wärmelast
6.1.4 Strombedarf der Wärmepumpe
6.2 EE-Ausbauszenarien
6.2.1 Business as usual (Bau)
6.2.2 Beschleunigter Ausbau der erneuerbaren Energien
6.2.3 Maximaler Ausbau von Wärmepumpen (WPmax)
6.3 Zusammenfassung Szenarien

7 Ausblick

8 Literaturverzeichnis

1 Zusammenfassung

Die Stadtwerke Union Nordhessen (SUN), das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) und das Institut dezentrale Energietechnologien (IdE) haben untersucht, wie die Transformation des Energieversorgungssystems in der SUN- Region (bestehend aus den drei eher ländlich geprägten Landkreisen Kassel, Schwalm- Eder und Werra-Meißner sowie der kreisfreien Stadt Kassel) gestaltet werden kann. In einer vorangegangenen Studie wurden bereits Möglichkeiten zur Umstellung der Stromversorgung hin zu dezentralen, erneuerbaren Erzeugungstechnologien analysiert. Zentrale Fragestellungen im aktuellen Projekt sind, wie auch die Wärme in Zukunft regenerativ bereitgestellt werden kann und welche Auswirkungen verschiedene Technologien zur Wärmeerzeugung auf den Wärme- und Strommarkt haben. Hierfür wurden aufbauend auf einer Bestandsanalyse die Potenziale zur regenerativen Wärmeerzeugung ermittelt und anschließend verschiedene Entwicklungsmöglichkeiten der regionalen Wärmeerzeugung untersucht.

Für die Bestandsanalyse des Wärmemarktes in der SUN-Region wurde aufbauend auf kreisscharfen Daten zu Wärmeerzeugern die erzeugte Jahresmenge ermittelt und diese mit skalierten Daten von Bundes- und Landesstatistiken verglichen. In der Region besteht ein Wärmebedarf von rund 7.000 GWh im Jahr 2011, ohne die Einbeziehung industrieller Prozesswärme. Der Anteil von Erneuerbaren Energien (EE) an der Wärmeversorgung beträgt ca. 10 %, wovon Biomasse mit rund 9,2 % den größten Beitrag liefert.

Für die Ermittlung der Potenziale zur regenerativen Wärmeerzeugung wurde zunächst die mögliche Effizienzsteigerung bestimmt. Grundlage hierfür bilden die Annahmen in der BMU Leitstudie 2011 (Nitsch, J. et al. 2012), nach denen bis 2050 eine Absenkung des Endenergieverbrauchs für die Wärmeerzeugung um ca. 50 % bezogen auf 2011 realisierbar ist. Insbesondere in der Raumwärmebereitstellung liegen durch Maßnahmen wie der energetischen Sanierung im Bestand oder dem Einsatz von Fern- und Nahwärme aus Kraft-Wärme-Kopplung und Wärmepumpen erhebliche Effizienz- und Einsparungspotenziale. Zudem wurde die potenzielle Wärmeerzeugung aus Solarthermie, Bioenergie und EE-Überschussstrom ermittelt. Letzterer ergibt sich aus dem EEmax-Szenario der Strommarkt-Studie (Henke, K. et al. 2012), in dem alle potenziellen Flächen zur EE-Stromerzeugung genutzt werden, abzüglich des Strombedarfs. Für die SUN-Region ergibt sich demnach ein jährliches Wärmerzeugungspotenzial von ca. 120 % - ohne Berücksichtigung des industriellen Prozesswärmebedarfs.

Um zukünftige Entwicklungsmöglichkeiten der regionalen Wärmeversorgung

aufzuzeigen, wurden drei Szenarien mit unterschiedlichen Annahmen zum EE-Ausbau definiert:

- Business as usual
- Aktuelle Markttrends, technologische Entwicklungen und Modernisierungsraten für Heizsysteme werden für die zukünftige Entwicklung fortgeschrieben.  3 % p. a. Modernisierungsrate der Wärmeerzeuger.  Wärmebedarf sinkt um 21 %.
- Beschleunigter EE-Ausbau
- Beschleunigte Modernisierung der Heiztechnologien (5 % p. a.).
- Anteil regenerativer Energieträger an Neuinstallationen im Vergleich zum Business-as-usual-Szenario wird verdoppelt.
- Wärmebedarf sinkt um 21 %.
- Maximaler Ausbau von Wärmepumpen (WPmax)
- Deckung des Wärmebedarfs ausschließlich über Wärmepumpen unter der

Annahme, dass zu einem unbestimmten Zeitpunkt der gesamte Gebäudebestand wärmegedämmt ist (Wärmebedarf sinkt um ca. 50 %).

Zusammenfassung

- Kopplung mit Stromerzeugung aus EEmax-Szenario aus der Teilstudie Strommarkt (alle Potenziale zur Stromerzeugung aus EE werden genutzt).

Die drei Szenarien wurden anschließend hinsichtlich ihrer EE-Anteile an der

Wärmeversorgung und Auswirkungen auf den Strom- und Wärmemarkt analysiert und verglichen.

Im Business-as-usual-Szenario im Szenarienjahr 2025 wird lediglich ein EE-Anteil von ca. 17 % erreicht. Bei beschleunigtem EE-Ausbau kann der EE-Anteil auf ca. 28 % erhöht werden. Die Rückwirkung auf den Stromsektor wird im WPmax-Szenario aufbauend auf einer Zeitreihenanalyse untersucht. Hierzu wird eine wetterabhängige Zeitreihe generiert, die beschreibt, welche elektrische Leistung zu welcher Zeit für den Betrieb der Wärmepumpen und damit zur Wärmelastdeckung benötigt wird. Dieser Datensatz wird der Zeitreihe des Stromüberschusses aus dem EEmax-Szenario der Strommarkt-Studie gegenübergestellt.

Die Analyse ergibt, dass sich die Wärmeversorgung in diesem Szenario in die Bestandteile Umweltwärme (63 %), regenerativ erzeugter (14 %) und konventionell erzeugter Strom (23 %) aufteilt. Somit stammt zwar etwa 77 % der Energie, die über Wärmepumpen erzeugt wird, aus regenerativen Quellen (Umweltwärme + EE-Strom), der verbleibende Anteil muss über regelbare, konventionelle Kraftwerke gedeckt werden.

Zusätzlich ergibt sich eine deutlich höhere Spitzenlast, da die Gebäude auch an sonnen- und windarmen, sehr kalten Tagen im Winter beheizt werden, so dass sich die maximale Stromlücke in der SUN-Region auf ca. 1000 MWel verdoppelt. Umgekehrt besteht an sonnen- und windreichen, etwas wärmeren Tagen nicht notwendigerweise Heizbedarf. Die maximalen Stromüberschüsse durch fluktuierende Energien verringern sich nach der Simulation um ca. 6 %.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass der Wärmebedarf (bilanziell bis zu 120 %) in Nordhessen aus dezentralen erneuerbaren Energien gedeckt werden kann (ohne industrielle Prozesswärme), wobei ein zentraler Baustein die Energieeinsparung ist. Bei einer Fortschreibung der aktuellen Heizungsaustauschraten und der dabei bevorzugten Technologien wird eine zügige Transformation zu einer überwiegend erneuerbaren Energieversorgung nicht gelingen, da sowohl im Business-as-usual- Szenario als auch bei einer Verdopplung der aktuellen Heizungsaustauschraten die SUN-Region nur EE-Anteile im Wärmemarkt von max. ca. 28 % im Jahr 2025 erreicht. Selbst bei einem maximalen Ausbau von Wind und Photovoltaik, kann der Strombedarf der Wärmepumpen nicht zu hundert Prozent regenerativ gedeckt werden.

Die Verknüpfung von Strom und Wärme leistet zwar einen Beitrag zur Transformation des Energiesystems, sie erhöht aber auch die Komplexität der Aufgabe. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Beschränkung auf eine Technologie zur Wärmeversorgung wie der Wärmepumpe aufgrund der negativen Auswirkungen auf den Stromsektor, wie der Erhöhung der Spitzenlast, nicht sinnvoll ist. Dennoch zeigt die Studie, dass die Flächen-Potenziale für eine nahezu vollständige Versorgung der Region aus dezentralen erneuerbaren Energien im Strom- und Wärmesektor vorhanden sind. Das ist umso bemerkenswerter als es sich um eine Region mit einem dicht besiedelten und industriell geprägten Oberzentrum (Kassel und unmittelbares Umland) handelt. Auch die benötigten Technologien sind grundsätzlich verfügbar. Die wesentlichen Herausforderungen sind somit einerseits die Erhöhung der Bereitschaft von Wärmeverbrauchern (insb. Immobilieneigentümern) zum Wechsel auf energieeffiziente und erneuerbare Wärmeversorgungsstrategien und andererseits eine intelligente Verknüpfung der Strom- und Wärmeversorgungstechnologien und -märkte.

2 Einleitung

Um die Einsparziele der Bundesregierung hinsichtlich der Emissionsminderung zu erreichen, müssen in allen Energie-Sektoren CO2-Emissionen eingespart werden. Hierbei kommt neben dem Stromsektor vor allem auch dem Wärmesektor eine zentrale Bedeutung zu. Mit rund 40 % des gesamten Endenergieverbrauchs in Deutschland (Friedrich, M. et al. 2007) trägt der Energieverbrauch für Raumwärme und Warmwasserbereitung, welcher überwiegend in privaten Haushalten benötigt wird, zu einem großen Teil zu den CO2-Emissionen bei. Nach Angaben des Bundesverbands Erneuerbare Energien (BEE) ist ein Großteil der installierten Heizungsanlagen zwischen zehn und 24 Jahren alt (BEE 2009), wodurch das Potenzial zur Heizungsmodernisierung entsprechend hoch ist. Derzeit haben regenerative Energieträger mit rund 9 % noch einen geringen Anteil im Wärmemarkt, doch kann dieser neben dem Einsatz von Solarthermie, Geothermie, Biomasse vor allem durch elektrische Wärmepumpen gesteigert werden.

Strom gewinnt an Bedeutung und wird zunehmend zur Primärenergiequelle. Dadurch kann er auch zunehmend in den Sektoren Wärme und Verkehr die Energieverbräuche decken, was zu Verknüpfungen und Abhängigkeiten zwischen den Energiesektoren führt.

Abbildung 1: Vergleich von Strom- und Wärmeverbrauch im Betrachtungsraum über ein Jahr

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 zeigt, dass sich die Lastgänge von Strom und Wärme erheblich unterscheiden und die Verknüpfung von Strom und Wärme eine komplexe Herausforderung darstellt. Hierfür müssen geeignete Technologien gefunden und diese sinnvoll eingesetzt werden.

3 Bestandsanalyse

In der Bestandsanalyse wird untersucht, welche Energieträger und Technologien zur Wärmeversorgung in der SUN-Region eingesetzt werden und wie sich der Wärmemarkt in die Energieträger, Technologien, Sektoren, Anwendungen und Gebietskörperschaften aufteilen lässt. Die Bestandsanalyse dient als Referenz für die Szenarienentwicklung in Kapitel 6.2.

Im Betrachtungsraum wohnen ca. 730.000 Einwohner, die Fläche der SUN-Region dehnt sich dabei auf ca. 4000 km² aus. Die Stadt Kassel und ihr unmittelbares Umfeld besitzen größtenteils eine dichte Besiedelung und somit auch einen flächenspezifisch höheren Wärmebedarf, während die Landkreise eher durch eine ländliche Struktur mit geringer Siedlungsdichte geprägt sind (Henke, K. et al. 2012).

Im Rahmen der vorliegenden Studie konnte ein Endenergieverbrauch im Bereich Wärme von etwa 7.000 GWh für das Jahr 2011 ermittelt werden. Hierin sind die Sektoren Haushalte, Gewerbe, Handel, Dienstleistungen (GHD) und Industrie berücksichtigt. Für jeden der drei Sektoren wurden die Anwendungen im Bereich Raumwärme und im Bereich Warmwasser betrachtet. Zudem konnten in den Sektoren Haushalte und GHD Daten für die Anwendung im Bereich Prozesswärme ermittelt werden. Diese beinhaltet Wärme für z. B. Wasch- oder Spülprozesse. Im Industrie- Sektor wurde hingegen auf die Erfassung der Prozesswärme verzichtet. Grund hierfür ist vor allem die schlechte Datenlage zu Temperaturniveaus, zeitlicher Verteilung und Wärmerückgewinnung aufgrund der sehr vielfältigen und individuellen Branchen und Prozessarten. Eine Abschätzung ergab einen Wärmeverbrauch von ca. 2.500 GWh/a für Prozesswärmeanwendungen im Sektor Industrie. Im Folgenden werden die angewandten Methoden sowie die erzielten Ergebnisse dargestellt. Die Ergebnisse zur Bestandsanalyse markieren- wenn nicht anders vermerkt - den Stand zum Ende des Jahres 2011.

3.1 Methodik

Zur Bestandsanalyse des Wärmemarktes in der SUN-Region werden zwei Methoden angewandt. Zum einen wird aus kreisscharfen Daten zu Wärmeerzeugern, die z. B. von Genehmigungs- oder Förderungseinrichtungen bereitgestellt werden, die erzeugte Jahresmenge an Wärme ermittelt (Bottom-Up-Methode). Zum anderen werden diese Ergebnisse mit Bundes- und Landesstatistiken verglichen, die über entsprechende Faktoren auf die SUN-Region umgerechnet wurden (Top-Down-Methode). Über den Vergleich der beiden Methoden können die Ergebnisse auf Plausibilität überprüft werden. Die Gesamtsumme des Wärmebedarfs in der SUN-Region sowie deren Aufteilung in Energieträger, Technologien und Gebietskörperschaften wird aus der Bottom-Up-Methode übernommen. Die prozentuale Aufteilung des Wärmebedarfs in Sektoren (Haushalt, GHD, Industrie) und Anwendungen (Warmwasserbereitstellung, Raumwärme, Prozesswärme) kann hieraus nicht abgeleitet werden, da über die Bottom-Up-Methode zwar Anlagenanzahl, Leistung und Wärmemenge vorliegt, nicht jedoch Anwendungsbereich und Sektor, in dem der Wärmeerzeuger betrieben wird. Diese Aufteilung wird daher über die Top-Down-Methode abgeschätzt.

Die Bottom-Up-Methode baut auf Datensätze folgender Institutionen und Unternehmen auf:

- Städtische Werke AG
- Städtische Werke Energie + Wärme GmbH
- Städtische Werke Netz + Service GmbH
- Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle
- Bundesverband des Schornsteinfegerhandwerks
- Witzenhausen-Institut GmbH und Pöyry Environment GmbH
- TenneT TSO GmbH
- Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie  Hessisches Statistisches Landesamt
- Zensusdatenbank Zensus 2011  Stadtwerke Witzenhausen

Die Top-Down-Methode baut auf Datensätze folgender Institutionen und Unternehmen auf:

- AG Energiebilanzen e.V.
- Statistische Ämter des Bundes und der Länder

Die beiden Methoden werden im Folgenden detailliert beschrieben.

3.2 Vorgehensweise und Einzelergebnisse Bottom-Up- Methode

Als Referenzsituation für den Szenarienvergleich wurde der Bestand zum Ende des Jahres 2011 analysiert. Nicht alle Daten sind mit dieser Aktualität verfügbar, so dass in Einzelfällen der Stand der Daten abweichen kann. Bei verschiedenen Institutionen wurden Daten angefragt, um Informationen über die geförderten oder genehmigten Wärmeerzeugungsanlagen zu erhalten. In einer Vielzahl der Fälle lag nur eine Anlagenanzahl bzw. die installierte Leistung der Anlagen vor. Um ebenfalls die erzeugte Wärmemenge beziffern zu können, ist es also nötig, mit geeigneten Methoden von der Anlagenanzahl bzw. Leistung auf die Energie zu schließen. Die jeweiligen Methoden zur Nachbereitung der erhaltenen Rohdaten werden im Folgenden aufgeführt. Alle Daten zur Wärmeerzeugung in der SUN-Region werden in einer umfangreichen Erzeugerliste festgehalten. Die Gliederung erfolgt nach Wärmeerzeugungs-Technologie.

3.2.1 Solarthermie

Die Daten zur Bestandsermittlung von solar erzeugter Wärme wurden beim Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) angefragt (Wagner 2013). Die zur Verfügung stehenden Datensätze beinhalten das Installationsjahr, die Kollektorfläche und den Anlagentyp (Warmwasserbereitstellung oder zusätzlich heizungsunterstützend) der kreisscharf aufgeführten, geförderten Anlagen. Zur übersichtlicheren Darstellung werden die verschiedenen Anlagentypen in der unten angeführten Tabelle zusammengefasst. Zur Umrechnung der Kollektorfläche auf eine bestimmte Jahresnutzenergie, werden folgende Annahmen getroffen: Die Umrechnung der Bruttokollektorfläche auf die effektive Aperturfläche erfolgt über den Faktor 0,9. Der Systemnutzungsgrad1 für Anlagen, die ausschließlich zur Warmwasserbereitung genutzt werden, wird auf = 0,45 definiert, während der Systemnutzungsgrad für Anlagen, die zusätzlich heizungsunterstützend arbeiten, auf = 0,3 festgelegt wird. Die über mehrere Jahre gemittelte Globalstrahlung in der Region Kassel wurde über die Software Meteonorm für einen durchschnittlichen Neigungswinkel der Anlagen von β = 45° und eine Südausrichtung der Kollektoren auf 1120 kWh/m²a ermittelt. Die vom BAFA geförderten Solarthermieanlagen sind in Tabelle 1 kreisscharf dargestellt. Der Bestand umfasst dabei etwa 15.000 Solarthermieanlagen, über die in etwa 45.000 MWh an Wärmebedarf gedeckt werden kann.

Tabelle 1: Bestand an Solarthermieanlagen in der SUN-Region

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.2.2 Wärmepumpen

Die erhobenen Bestandszahlen zu installierten Wärmepumpen-Anlagen stützen sich auf Datensätze des BAFA (Wagner 2013) sowie des Hessischen Landesamts für Umwelt und Geologie (HLUG) (Rumohr 2013). Da Wärmepumpen erst seit 2008 im Rahmen des Marktanreizprogrammes gefördert werden, gibt es seitens des BAFA keine Zahlen zum Bestand vor 2008. Das HLUG zeichnet Installationsjahr und Leistung von genehmigten Wärmepumpen auch schon vor der BAFA-Förderung auf, jedoch handelt es sich ausschließlich um Anlagen mit Erdwärmesonden (EWS). Für diese liegen kreisscharfe Daten zum Bestand vor, wohingegen Wärmepumpen, die Umgebungsluft als Wärmequelle nutzen, nicht vom HLUG protokolliert werden.

Das Geothermiezentrum Bochum nennt für den Bestand in Deutschland zum Jahr 2008 ein Verhältnis von 70 % EWS-Wärmepumpen zu 30 % Luft -Wärmepumpen (Platt, M. et al. 2010). Die Erhebung des Bestandes an Luft-Wärmepumpen vor der BAFA- Förderung kann über diese Korrelation zu EWS-basierten Wärmepumpen abgeschätzt werden. Ab dem Jahr 2008 wird auf die Zahlen des BAFA zurückgegriffen. Da hier jedoch nur Anlagenanzahl und -typ aufgenommen werden, muss die installierte Leistung und die im Jahr bereitgestellte Wärmmenge abgeschätzt werden. Dies erfolgt mit Hilfe der mittleren Leistung 13,7 kW und einer Jahresvolllaststundenzahl von 1900 h, wie sie beim HLUG gemeldet sind. Der Übersicht halber sind in Tabelle 2 die verschiedenen Anlagentypen nicht einzeln aufgeführt. Es sind in der SUN-Region ca. 900 Wärmepumpen installiert, die mit einer Gesamtleistung von etwa 12 MW eine Wärmemenge von ca. 25.000 MWh bereitstellen.

Tabelle 2: Bestand an Wärmepumpen in der SUN-Region

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.2.3 Elektrische Heizsysteme

Die Anzahl der elektrischen Heizsysteme ist in kreisscharfer Auflösung schwer zu ermitteln. In einer Mikrozensus Zusatzerhebung von 2010 (Geisler 2013) wurden zwar kreisscharfe Datensätze zu strombeheizten Gebäuden ermittelt, jedoch werden lediglich Landkreise aufgeführt, deren Anzahl an strombeheizten Gebäuden über 5.000 liegt.

Da in vielen Landkreisen die Anzahl unter 5.000 liegt, wird innerhalb der SUN-Region ausschließlich ein Wert für den Schwalm-Eder-Kreis genannt. Die Werte für die anderen Gebietskörperschaften werden daher nach folgendem Verfahren berechnet: Für das Bundesland Hessen werden insgesamt 87.000 Gebäude mit Stromheizungen aufgeführt. Die Summe der Werte aller aufgeführten Gebietskörperschaften von Hessen, also Landkreise, in denen es mehr als 5.000 strombeheizte Gebäude gibt, beträgt 36.000. Es bleibt somit eine Differenz von 51.000 mit Strom beheizten Gebäuden, die aufgrund der genannten 5.000-Hürde nicht kreisscharf aufgeführt werden. Für die Berechnungen werden diese verbleibenden 51.000 Gebäude gewichtet nach der Gebäudeanzahl in der jeweiligen Gebietskörperschaft (Zensus 2011) auf diese verteilt. Die Belastbarkeit der in der Tabelle genannten kreisscharfen Zahlen ist somit begrenzt, dennoch sollte der Summenwert für die SUN-Region eine gute Abschätzung darstellen.

Die Berechnung der erzeugten Jahresmenge an Wärme wird, wie folgt, berechnet: Aus kombinierten Daten zur hessischen Gebäudetypologie, die teils vom Institut Wohnen und Umwelt (Born, R. et al. 1995) (Born, R. et al. 2003), teils aus der Zensusdatenbank Zensus 2011 (Zensus 2011) stammen, wird ein durchschnittlicher spezifischer Jahresheizbedarf und eine durchschnittliche Wohnfläche für die Wohngebäude der SUN-Region errechnet. Über diese beiden Werte kann der Heizwärmebedarf für ein durchschnittliches Gebäude der SUN-Region abgeschätzt werden.

Dieser mittlere Wärmebedarf wird dann mit der Anzahl der mit Strom beheizten Gebäude multipliziert. Die Anzahl der Gebäude und die erzeugte Wärmemenge der Stromheizungen in der SUN-Region sind in Tabelle 3 festgehalten. Demnach werden knapp 10.000 Gebäude in der SUN-Region noch mit Strom beheizt, was ungefähr einer Wärmemenge von 325.000 MWh entspricht.

Tabelle 3: Strombeheizte Gebäude in der SUN-Region

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.2.4 Blockheizkraftwerke

Die Bestandsdaten zu Blockheizkraftwerken werden über zahlreiche unterschiedliche Quellen ermittelt. Die Ergebnisse in Tabelle 4 sind in diesem Kapitel nicht kreisscharf, sondern nach Energieträgern aufgeschlüsselt dargestellt.

Im Bereich Biogas finden sich in der Biomassepotenzialstudie Hessen (Raussen et al. 2008) Zahlen zur Anzahl und bereitgestellten Wärmemenge von Biogas-BHKWs bis 2008. Ebenso sind Netzbetreiber verpflichtet, ein Register über an das Netz angeschlossene und nach Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vergütete Anlagen zu führen. So können mittels eines aufbereiteten Netzbetreiber-Anlagenregisters der Initiative Energymap (DGS 2013) die Zahlen bis 2011 vervollständigt werden. Die Umrechnung der hier aufgeführten, eingespeisten, elektrischen Energie in eine Wärmemenge findet mit dem in (Raussen et al. 2008) verwendeten Verhältnis statt. Der Begriff „Biogas“ umfasst in diesem Kontext Biogas aus nachwachsenden Rohstoffen (NaWaRo) und Bioabfall, sowie Klärgas und Deponiegas.

Beim Klärgas-BHKW in Witzenhausen wird zusätzlich auf Informationen der ansässigen Stadtwerke zurückgegriffen (Stadtwerke Witzenhausen 2010). BHKWs, die mit Pflanzenöl, gasförmigem und flüssigem Erdgas oder Öl betrieben werden, sind vom BAFA zugelassen und registriert. Auf Anfrage stellt das BAFA die Daten zur Verfügung (Smuck 2013).

Zu BHKWs, die mit biogenen Flüssigkraftstoffen wie z. B. Pflanzenöl betrieben werden, meldet das BAFA lediglich eine Anlage mit einer thermische Leistung von etwa 20 kW im Schwalm-Eder-Kreis (Smuck 2013). Mit einer Volllaststundenzahl von 5500 h, wie sie in der BMU-Leitstudie (Nitsch, J. et al. 2012) für Pflanzenöl-BHKWs angesetzt wird, kann die Wärmemenge errechnet werden.

Erdgas-BHKWs sind in der SUN-Region mit einer Anzahl von 181 und einer thermischen Gesamtleistung von ca. 16,7 MW verzeichnet. Die Umrechnung auf die Wärmemenge erfolgt ebenfalls über eine Volllaststundenanzahl von 5500 h.

Analog wird die installierte Leistung öl- und flüssiggas-betriebener BHKWs auf die Wärmemenge umgerechnet. Hier sind beim BAFA 51 Öl-Anlagen mit einer thermischen Leistung von 710 kW und 20 Flüssiggas-BHKWs mit einer thermischen Leistung von 670 kW registriert (Smuck 2013).

In Summe ergibt sich somit eine Wärmemenge von etwa 140.000 MWh.

Tabelle 4: Bestand an Blockheizkraftwerken in der SUN-Region

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.2.5 Heizkraftwerke / Heizwerke / Fernwärme

Fernwärme Kassel

Die Stadt Kassel besitzt drei Heizwerke mit insgesamt acht Heißwasserkesseln, die allesamt mit Erdgas befeuert werden. Wie Tabelle 5 zeigt, speisen vier weitere Heizkraftwerke in das Fernwärmenetz ein. Die einzelnen Heizkraftwerke werden mit Biomasse, Erdgas, Kohle oder Müll betrieben (Jungermann 2013). Die thermische Gesamtleistung aller Heiz- und Heizkraftwerke liegt bei ca. 350 MW. In den letzten drei Jahren wurde eine Wärmemenge von etwa 600 MWh/a erzeugt. Es liegen konkrete Zahlen für die in den letzten Jahren in das Fernwärmenetz eingespeiste Wärmemenge von der Städtische Werke Energie + Wärme GmbH bzw. MHKW GmbH vor (Rößler 2013). Aus diesen Daten für die Wärmemenge wird für jedes Heizkraftwerk bzw. Heizwerk ein mittlerer Wert für den Zeitraum 2009 bis 2011 gebildet. Da in den Jahren 2010 und 2011 ebenfalls Fernwärme zur Prozesswärme-Anwendung in der Industrie enthalten ist, wird diese Wärmemenge vor der Mittelwertbildung zur Subtraktion auf die einzelnen Heizwerke/Heizkraftwerke verteilt. Die Verteilung erfolgt gemäß den prozentualen Anteilen in der Wärmeerzeugung.

Tabelle 5: Heizkraftwerke und Heizwerke zur Fernwärmeversorgung Kassel

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Sonstige Heizwerke

In der Biomassepotenzialstudie Hessen (Raussen et al. 2008) sind weitere Heizwerke für die SUN-Region verzeichnet. Hierbei handelt es sich um verschiedene Holzheizwerke in allen Gebietskörperschaften. Dabei sind 78 Holzheizwerke in der SUN-Region verzeichnet, die eine Wärmemenge von ungefähr 87.600 MWh bereitstellen. Die Rechercheergebnisse werden in Tabelle 6 aufgeführt.

Tabelle 6: Weitere Heizwerke in der SUN-Region

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Weitere Fern- und Nahwärmenetze, wie zum Beispiel in Witzenhausen oder Baunatal, sind bekannt. Da die eingesetzten Brennstoffe oft nicht aufgeschlüsselt werden können und es sich meist um eher geringe Wärmemenge (z. B. Witzenhausen mit etwa 8,6 GWh/a) (Stadtwerke Witzenhausen 2013) oder Industrieanlagen handelt wird auf eine weitere Betrachtung der Fern- und Nahwärme verzichtet.

Des Weiteren sind die Wärmeerzeuger, die in Nahwärmenetze einspeisen, oft Anlagen mit relativ kleiner Leistung und sind daher entweder in Kapitel 3.2.6 oder Kapitel 3.2.4 aufgeführt.

3.2.6 Dezentrale Feuerungsanlagen

Unter dezentralen Feuerungsanlagen werden alle Feuerungsstätten verstanden, die am Ort des Endenergieverbrauchers eingesetzt sind, sei als Wärmeerzeuger in Einfamilienhäusern, Zentralheizung für ein Mehrfamilienhaus oder als Etagenheizung für einzelne Wohnungen. Hierunter fallen Anlagen zur Verfeuerung von Gas, Öl, Kohle oder holziger Biomasse.

Dezentrale Gasfeuerungsanlagen

In der SUN-Region werden ca. 100.000 dezentrale Gasfeuerungsanlagen betrieben, die in etwa eine Wärmemenge von 3.350.000 GWh im Jahr bereitstellen (siehe Tabelle 7).

Die Anlagenanzahl der dezentralen Gasfeuerungsanlagen wurde über hessenweite Daten des Bundesverband des Schornsteinfegerhandwerks (Seelbach 2013) und über die Kundenanzahl der Städtische Werke Netz + Service GmbH (Puchta 2013) abgeschätzt. Die Verteilung der landesweiten Anlagenzahlen auf die Landkreise Kassel, Schwalm-Eder und Werra-Meißner erfolgt über den Einwohnerschlüssel. Zur Abschätzung der Anlagenanzahl in der kreisfreien Stadt Kassel wurde die Kundenanzahl mit der Anlagenanzahl gleichgesetzt, jedoch ein nach Einwohnerzahl gewichteter Teil für die Gemeinden Lohfelden, Fuldatal-Ihringshausen und Niestetal- Sandershausen ausgenommen. Diese Gemeinden liegen innerhalb des Versorgungsgebietes der Städtische Werke Netz + Service GmbH, werden jedoch zum Landkreis Kassel gezählt. Nach dieser Berechnungsmethode wurden in der SUN-Region etwa 100.000 dezentrale Gasfeuerungsanlagen ermittelt (siehe Tabelle 7).

Auch in der Berechnung der Wärmemenge wird zwischen der Methodik für die Stadt Kassel und der Methodik für die Landkreise unterschieden. In der kreisfreien Stadt Kassel ergibt sich die Wärmemenge, die aus Gas erzeugt wird, über die Gaslieferung der Städtischen Werke Netz + Service GmbH an Standard-Lastprofil (SLP)-Kunden. Analog zur Berechnung der Anlagenanzahl wird auch hier ein nach Einwohnerzahl gewichteter Betrag für die Gemeinden subtrahiert, die zwar innerhalb des Versorgungsgebietes liegen, aber zum Landkreis Kassel gehören. Kunden mit registrierter Leistungsmessung (RLM) werden nicht berücksichtigt, da hier davon ausgegangen wird, dass es sich größtenteils um industrielle Prozesswärme handelt.

Die Werte für die Wärmemenge, welche in den Landkreisen Kassel, Werra-Meißner und Schwalm-Eder aus Gas erzeugt wird, basieren auf Daten des Hessischen Statistischen Landesamtes (Hessisches Statistisches Landesamt 2013b). Aus der Summe des hessenweiten Gasverbrauchs von privaten Haushalten, GHD und einem Anteil von Warmwasser und Raumwärme in der Industrie, wurde der für die Stadt Kassel berechnete Gasverbrauch abgezogen und über den Einwohnerschlüssel auf die Landkreise verteilt.

Um Überschneidungen zu vermeiden wird zusätzlich die Zahl der in der SUN-Region gemeldeten BHKW und deren erzeugte Wärmemenge von der hier beschriebenen Anzahl und Wärmemenge für Gaskessel abgezogen, da sich innerhalb der Zahlen für Gaslieferungen aus (Hessisches Statistisches Landesamt 2013b) und Informationen der Städtischen Werke AG Kassel (Jungermann 2013) als auch der ermittelten Gasfeuerungsanlagen über (Seelbach 2013) und (Puchta 2013) ebenfalls die Anlagen und Wärmemenge befinden, die der Technologie Blockheizkraftwerk zuzuordnen ist. Die Berechnungen im Bereich BHKW sind in Kapitel 3.2.4 beschrieben.

In Summe wird somit eine Wärmemenge von 3.350.000 GWh aus dezentralen Erdgasfeuerungsanlagen als Nutzenergie bereitgestellt.

Tabelle 7: Bestand an dezentralen Erdgasfeuerungsanlagen in der SUN-Region

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dezentrale Ölfeuerungsanlagen

Die Zahl der dezentralen Ölfeuerungsanlagen wurde analog zu den Gaskesseln über eine nach Einwohnerzahl gewichtete Verteilung von hessenweiten Zahlen des Bundesverband des Schornsteinfegerhandwerks (Seelbach 2013) ermittelt. Hiernach werden in der SUN-Region ca. 60.000 Anlagen zur reinen Wärmeerzeugung mit Öl betrieben.

Da die Öllieferungen nicht ähnlich einfach wie Gaslieferungen beziffert werden können, wird die Jahreswärmemenge, die über Öl erzeugt wird, analog zu den Berechnungen bei den elektrischen Heizsystemen ermittelt. Über den durchschnittlichen spezifischen Heizwärmebedarf und die mittlere Wohnfläche für Gebäude in der SUN-Region wird ein mittlerer Wärmebedarf für Gebäude ermittelt. Mit der Annahme, dass die Anzahl der Ölfeuerungsanlagen in etwa der Anzahl der mit Öl beheizten Wohngebäude entspricht, lässt sich eine Wärmemenge für die einzelnen Gebietskörperschaften der SUN-Region berechnen.

Analog zu den Berechnungen bei den dezentralen Gasfeuerungsanlagen, wird hier ebenfalls die Zahl der in der SUN-Region gemeldeten und mit Öl betriebenen BHKWs und deren erzeugte Wärmemenge von der hier beschriebenen Anzahl und Wärmemenge für Ölkessel abgezogen. Dies hat den Grund, dass sich unter den vom Schornsteinfegerverbund überprüften Anlagen ebenfalls BHKWs befinden.

Die etwa 60.000 dezentralen Ölanlagen der SUN-Region decken demnach knapp 2.000.000 MWh an Wärmebedarf. Dies sind über 25 % des gesamten Wärmebedarfs in der SUN-Region. Eine Übersicht über ölbefeuerte dezentrale Anlagen findet sich in Tabelle 8.

Tabelle 8: Bestand an dezentralen Ölfeuerungsanlagen in der SUN-Region

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dezentrale Kohlefeuerungsanlagen

Die Anzahl an dezentralen Kohlefeuerungsanlagen in Hessen ist sehr gering. Insgesamt sind nach dem Bundesverband des Schornsteinfegerhandwerks (Seelbach 2013) in Hessen 50 Anlagen verzeichnet, die nach BImSchV gemessen werden müssen. Werden diese Anlagen gewichtet nach Einwohnerzahl den Landkreisen und Regionen zugeordnet, resultiert hieraus eine Anzahl von 6 Anlagen in der SUN-Region. Aufgrund dieser geringen Anzahl werden dezentrale Kohlefeuerungsanlagen in der weiteren Betrachtung nicht berücksichtigt. Der Energieträger Kohle wird in der SUN-Region somit ausschließlich im Fernwärmebereich betrachtet.

Konventionelle Holzfeuerungsanlagen

Die Daten zur konventionellen Scheitholznutzung in privaten Haushalten sind vom Witzenhausen-Institut für Abfall, Umwelt und Energie und der Pöyry Environment GmbH in der Biomassepotenzialstudie Hessen für das Jahr 2008 erhoben worden. Vergleicht man die Daten aus der Biomassepotenzialstudie Hessen aus dem Jahr 2005 mit der aktuelleren Version von 2008, so ist zwar ein Anstieg der konventionellen Holznutzung zu verzeichnen, während der tatsächliche Scheitholzverbrauch aber nur mäßig steigt. Dies ist durch verbesserte Effizienz der Scheitholzanlagen, technische Veränderung (z. B. Nutzung von Pufferspeichern) und Ergänzung von thermischen Solaranlagen zur Vermeidung des Sommerbetriebes zu erklären (Raussen et al. 2008). Somit werden die Daten von 2008 auch für das Jahr 2011, welches die Grundlage für die Bestandsaufnahme bildet, als belastbar angesehen.

Es ergibt sich das grundsätzliche Problem, ausführliche Daten zum Scheitholzverbrauch zu finden, da dieses aus den unterschiedlichsten Quellen bezogen wird, wie beispielsweise dem Hessen-Forst oder aus Privatwaldbeständen. Die Autoren der Biomassepotenzialstudie Hessen führen daher eine statistisch auswertbare Erhebung mit Unterstützung des Landesinnungsverband der hessischen Schornsteinfeger durch, in dem der Brennholzverbrauch repräsentativer Bevölkerungsgruppen in unterschiedlichen Siedlungsstrukturen erfasst und auf die einzelnen Landkreise übertragen wird (Raussen et al. 2008). Nach dieser Vorgehensweise werden in der SUN-Region ca. 400.000 MWh Wärme im Jahr durch Scheitholz erzeugt. In Tabelle 9 sind die Ergebnisse zur konventionellen Holznutzung kreisscharf aufgeführt.

Tabelle 9: Über konv. Holznutzung bereitgestellte Wärmemenge in der SUN-Region

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Geförderte Holzfeuerungsanlagen

Das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle fördert Anlagen zur Verfeuerung fester Biomasse wie Scheitholzvergaser oder Pellets- und Hackschnitzelkessel. Auf Anfrage können die Daten zu geförderten Anlagen kreisscharf zur Verfügung gestellt werden (Wagner 2013). Die erhaltenen Daten beschreiben Anlagenanzahl, -typ und - leistung. Zur Umrechnung auf eine Wärmemenge wurde in Anlehnung an (Raussen et al. 2008) eine mittlere Volllaststundenanzahl von ca. 1.580 h angenommen, die für geförderte Holzfeuerungsanlagen im privaten Bereich angesetzt wird. In der SUN- Region wird demnach über knapp 3.000 geförderten Holzheizungsanlagen eine Gesamtwärmemenge von ungefähr 100.000 MWh/a bereitgestellt. Eine vollständige Übersicht findet sich in Tabelle 10.

Tabelle 10: Bestand an geförderten Holzfeuerungsanlagen in der SUN-Region

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Tabelle 11: Jährlich bereitgestellte Wärmemenge in der SUN-Region, nach Technologie aufgeschlüsselt

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Tabelle 12 zeigt die Aufteilung der Wärmemenge in Energieträger. Etwas mehr als 50 % der Wärme wird dabei über den Energieträger Erdgas bereitgestellt, weitere 28 % des Bedarfs wird über den Brennstoff Öl gedeckt. Etwa 10 % sind aus erneuerbaren Energien, hier hat die Biomasse mit 9,2 % den größten Anteil.

Tabelle 12: Aufschlüsselung nach Energieträger

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3.3 Vorgehensweise und Ergebnisse Top-Down-Methode

Die Top-Down-Methode verfolgt einen anderen Ansatz als die Bottom-Up-Variante. Aus bundesweiten Zahlen zum Wärmeverbrauch in den einzelnen Sektoren und Anwendungsbereichen wird über geeignete Skalierungsfaktoren auf eine Wärmemenge in der SUN-Region geschlossen.

3.3.1 Haushaltssektor

Daten zum bundesweiten Wärmeverbrauch im Haushaltssektor werden von der AG Energiebilanzen e.V. (AGEB 2013) für das Jahr 2011 veröffentlicht. Im Bereich Haushaltswärme wird mit zwei unterschiedlichen Skalierungsfaktoren gerechnet. Zur Umrechnung des Wärmeverbrauchs zur Warmwasserbereitstellung werden die Anteile der Bevölkerung in den Gebietskörperschaften der SUN-Region an der Bevölkerung von Deutschland ermittelt. Die Bevölkerungszahlen stammen dabei vom Statistischen Bundesamt (Statistisches Bundesamt 2013a) und dem Hessischen Statistischen Landesamt (Hessisches Statistisches Landesamt 2013a). Zur Erhebung des Energieverbrauchs im Bereich Raumwärme wird über die jeweiligen Anteile der Wohnfläche skaliert. Die Daten werden ebenfalls vom Statistischen Bundesamt (Statistisches Bundesamt 2013b) und Landesamt (Hessisches Statistisches Landesamt 2011) zur Verfügung gestellt. Die Wärmemenge im Bereich Haushalts-Prozesswärme wird analog zur Warmwasserbereitstellung über die Einwohneranzahl den Gebietskörperschaften zugeordnet. Bei der Prozesswärme im Haushalt wird nur die Wärmemenge betrachtet, die nicht über Strom erzeugt wird. Es wird angenommen, dass Prozesswärme aus Strom, wie sie beispielsweise beim Kochen mit einem Elektroherd benötigt wird, nicht durch eine alternative Wärmequelle ersetzbar ist. Somit besteht auch kein Potenzial, hier in Zukunft beispielsweise mehr Wärme über Fernwärme bereitzustellen. Bei Prozesswärme für Spül- und Waschvorgänge wäre hierfür theoretisch Potenzial vorhanden, daher wird dieser Bereich auch berücksichtigt.

In Tabelle 13 sind die Ergebnisse festgehalten. In der SUN-Region bestehen nach der Top-Down-Methode ein Wärmebedarf für Raumwärme von etwa 3.700 GWh und ein Wärmebedarf für Warmwasserbereitstellung von 800 GWh. Der Bereich Prozesswärme ist im Vergleich dazu mit 7,3 GWh sehr gering.

Tabelle 13: Übersicht Wärmebedarf im Haushalts-Sektor

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1 Der Systemnutzungsgrad definiert sich über das Verhältnis von genutzter Wärmemenge zu Einstrahlungssumme, die auf die Kollektorfläche trifft. In Abgrenzung zum Wirkungsgrad (leistungsbezogen) bezieht sich der Systemnutzungsgrad auf Energiemengen.

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Titel: Energiewende Nordhessen. Technische und ökonomische Verknüpfung des regionalen Strom- und Wärmemarktes