Systemlösungen im Wärmesektor - Energetische ...
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
FOCUS ON Systemlösungen im Wärmesektor 52 Modellkonzepte für eine klimaneutrale Wärme FOKUSHEFT Energetische Biomassenutzung www.energetische-biomassenutzung.de 2020
INHALT
Editorial 7
Lösungsoptionen der Wärmewende mit Bioenergie
Auf dem Weg in eine nachhaltige Wärmeversorgung 8
Technologie-Steckbriefe 17 TECHNOLOGIE-STECKBRIEFE
1) Scheitholzofen mit Wassertasche in Kombination
mit solarthermischer Anlage 18
2) Scheitholzvergaserkessel in Kombination mit
solarthermischer Anlage 20
3) Monovalente Pelletheizung (Kessel) 22
4) Pelletheizung (Kessel) in Verbindung mit
solarthermischer Anlage 24
5) Integrierter Pelletbrenner mit Solarthermie 26
6) Vergaser für Holzpellets mit motorischem Kleinst-BHKW 28
7) Holzpelletvergaser mit BHKW bzw. später Brennstoffzelle
in Kombination mit Solarthermie und PV 30
8) Wärme-Kraft-Kopplung auf Basis Holzpellets in
Kombination mit Wärmepumpe und PV 32
9) Vergaser für torrefizierte Holzpellets mit
motorischem Kleinst-BHKW 34
10) Wärme-Kraft-Kopplung auf Basis torrefizierter Holzpellets
in Kombination mit Wärmepumpe und PV 36
11) Holzhackschnitzelkessel mit Solarthermie 38
12) Elektrodirektbeheizung in Kombination mit Solarthermie 40
13) Elektrische Luft-Wasser-Wärmepumpe
mit PV-Stromversorgung 42
14) Elektrische Boden-Wasser-Wärmepumpe
mit PV-Stromversorgung 44
15) Elektrische Luft-Wasser-Wärmepumpe in Kombination mit
solarthermischer (Vor-)Erwärmung und PV-Stromversorgung 46
16) Elektrische Boden-Wasser-Wärmepumpe
in Kombination mit solarthermischer (Vor-)Erwärmung
und PV-Stromversorgung 48
17) Wärmepumpe mit PV-Strombereitstellung
in Verbindung mit wasserführendem Scheitholzofen 50
18) Wärmepumpen-Kombination mit Pelletkessel und PV 52 37) Hochtemperatur-Wärmepumpe mit solarthermischer
Vorheizung und Biomethan-BHKW Back-up 86
19) Biomethan-Brennwerttherme 54
38) Kombisystem aus Solarthermie, Wärmepumpe
20) Biomethan-Brennwerttherme in Verbindung und Holzhackschnitzelkessel 88
mit solarthermischer Anlage 56
39) Elektro-Lichtbogen 90
21) Biomethan-Brennwerttherme in Verbindung
mit Scheitholzofen 58 40) Gas-Niedertemperaturkessel 92
22) Gas-Brennwerttherme 60 41) Gas-Kessel 94
23) Gas-Brennwerttherme in Verbindung 42) Gas-Direktfeuerung 95
mit solarthermischer Anlage 62
43) Gasturbinen-Heizwerk 96
24) Gas-Brennwerttherme in Verbindung
mit Scheitholzofen 64 44) Gas-Brennstoffzelle 98
25) Gas-Brennstoffzelle mit solarthermischer 45) Kohle-Direktzugabefeuerung 100
Wärmebereitstellung zum Einsatz von Biomethan 66
46) Stahlkoks aus Steinkohle 101
26) Gas-Brennstoffzelle mit solarthermischer
Wärmebereitstellung 68 47) Holzhackschnitzelvergaser-BHKW mit Übergang auf
Brennstoffzelle ab 2035 (kaskadiert) 102
27) Gas-Brennstoffzelle in Kombination
mit Gasbrennwertkessel und Solarthermie 70 48) Hochtemperatur-Wärmepumpe mit Solarthermie
und Spitzenlast Biomethan-BHKW 104
28) Biomasse-Direktzugabefeuerung 73
49) Gasturbinen-Dampf-Heizkraftwerk (GuD) 106
29) Holzhackschnitzelkessel 74
50) Müllheizkraftwerk in Verbindung
30) Holzvergasung mit anschließender direkter mit Holzhackschnitzelkessel 108
Gasfeuerung 76
51) Kohle-Heizkraftwerk mit Holzhackschnitzel-
31) Holzvergaser-Gasturbinen-Heizwerk 77 mitverbrennung 110
32) Stahlkoks aus Biokohle 78 52) Kohle-Heiz-Kraftwerk für leitungsgebundene Wärme 112
33) Biomethan-Direktfeuerung 79 Literaturverzeichnis 114
34) Biomethan-Niedertemperaturkessel 80 Impressum 116
35) Biomethan-Gasturbinen-Heizwerk 82 Weitere Informationen 118
36) Biomethan-Brennstoffzelle 84
Editorial
Editorial
Lösungsoptionen der Wärmewende
mit Bioenergie
Liebe Leserinnen und Leser,
Wärme aus Biomasse ist die bisher mit Abstand größte erneu-
erbare Wärmequelle. Sie ist zuverlässig, bezahlbar und bei
Verwendung nachhaltig gewonnener Brennstoffe und moderner
Technik umweltschonend. Jedoch stagniert die Wärmewende
seit einigen Jahren und neue Lösungen sind notwendig, um
die avisierten Ziele einer klimaneutralen Energieversorgung
Prof. Dr.-Ing. Daniela Thrän zügig zu erreichen. Dabei ist der Wärmebereich inhomogen
und kleinteilig und damit besonders komplex. Für neue Impulse
Bereichsleiterin Bioenergiesysteme DBFZ
zur Wärmewende sind kosteneffiziente und umweltverträgliche
Leiterin des Departments Bioenergie am UFZ
Lösungen nötig. Hierzu braucht es neue Technologiekonzepte,
Professur Bioenergiesysteme deren Anwendung und Auswirkungen in verschiedenen Wär-
an der Universität Leipzig memärkten zu analysieren sind. Es stellt sich – auch vor dem
Hintergrund begrenzter Ressourcen und künftiger Kostenent-
wicklungen – die Frage, welche quantitative und qualitative
Rolle die Wärme- bzw. die gekoppelte Wärme-Strom-Nutzung
der Biomasse in Relation und Kombination zu anderen EE-
Wärmeoptionen in den Wärmemärkten der Zukunft einnehmen
kann.
In Zusammenarbeit des Deutschen Biomasseforschungszent-
rums (DBFZ) mit dem Leipziger Helmholtz-Zentrum für Umwelt-
forschung (UFZ) und dem Center for Environmental Systems
Research (CESR) der Universität Kassel wurden die Zukunfts-
perspektiven der Wärmeerzeugung aus Biomasse untersucht.
Dabei wurden ausgehend vom aktuellen Stand der Wärmebe-
reitstellung aus Biomasse und anderen erneuerbaren Energien
Versorgungsszenarien mit einem hohen Anteil an erneuerbaren
Dr.-Ing. Volker Lenz Energien entwickelt. Diese beziehen die aktuellen Analysen der
Bereichsleiter Thermo-chemische Konversion DBFZ Biomassepotenziale, politische Erwartungen an den Ausbau der
erneuerbaren Energien und die Entwicklung des Gebäudebe-
standes wie auch Technologieinformationen zu verschiedenen
erneuerbaren Komponenten umfassend ein.
Als Ergebnis des dreijährigen Forschungsvorhabens liegt
eine fundierte (Daten)Grundlage für die Ausgestaltung einer
zuverlässigen, wirtschaftlichen und umweltverträglichen
Wärmebereitstellung aus Bioenergie und weiteren erneuerba-
ren Energien vor. Aus den Erkenntnissen können Handlungs-
empfehlungen für die Ausgestaltung gesetzlicher Regelungen,
für die Definition von Förderschwerpunkten oder sonstige
politische Instrumente abgeleitet werden.
Wir freuen uns auf den Dialog über eine tragfähige Biomasse-
nutzung im Wärmebereich und wünschen eine erkenntnisreiche
Lektüre.
Diana Pfeiffer
Begleitvorhaben „Energetische Biomassenutzung“
Die Herausgeberinnen und der Herausgeber
des BMWi Daniela Thrän, Diana Pfeiffer und Volker Lenz
8 Auf dem Weg in eine nachhaltige Wärmeversorgung 9
Auf dem Weg in eine
Wärme aus Biomasse ist eine etablierte erneuerbare Energie- modelle liegt in der Variabilität der Wenn-Dann-Annahmen, die
quelle und hat eine wichtige Rolle in der deutschen Energiewen- früh Zielkonflikte identifizieren und wissensbasierte Lösungs-
de (BMU 2016; BMU und BMWi 2010). In einem weitgehend räume eröffnen. Die Technologien im Wettbewerb haben in den
erneuerbaren Energiesystem werden an die umweltverträg- Simulationen spezifische Auswirkungen auf den Gesamtbeitrag
liche Wärmebereitstellung aus Biomasse allerdings deutlich zur Energieversorgung, auf den Klimaschutzbeitrag und auf
anspruchsvollere Anforderungen gestellt: Der Einsatz von Rest- die Landnutzung, die bewertet und diskutiert werden. Die
nachhaltige Wärmeversorgung
und Abfallstoffen, geringe Partikelemissionen, die kombinierte dargelegten Optionen können daher Forschung und Politik bei
Bereitstellung mit anderen erneuerbaren Energien und die der Strategie- und Entscheidungsfindung unterstützen, wo die
zusätzliche Unterstützung des Stromsystems sind hier nur begrenzten Biomassen unter Kosten-, Klima- und Umweltaspek-
einige Aspekte. Um kosteneffiziente und umweltverträgliche ten künftig den größten Systembeitrag leisten können.
Warmwasser (9 %). Am Endenergieverbrauch für Wärme haben erneuerbare Energien einen
Lösungen zu identifizieren, müssen eine Reihe von Randbedin-
Anteil von 13,6 %,
gungen beachtet, neue Technologiekonzepte wobei und
bewertet Biomasse
ihre mit 87 % die dominierende erneuerbare Energieform ist.
Anwendung und Auswirkungen in verschiedenen Wärmeteil- Status Quo und Trends der Wärmenutzung in
märkten analysiert werden.
Deutschland
Zukünftige Rolle der Bioenergie im deutschen Wärmesektor
Im Vorhaben „BioplanW – Systemlösungen für Bioenergie im
Wärmesektor im Kontext zukünftiger •Entwicklungen“
Welche Bioenergie-Technologiekonzepte
Die Wärmenutzung ist mit 53 sind wettbewerbsfähige
% (2017) der größte Endenergie-
Optionen in einem zukünftigen, nachhaltigen geht
(FKZ: 03KB113) wurden diese neuen Anforderungen um- verbraucher in Deutschland. Wärme Wärmesektor?
schwerpunktmäßig in
fassend berücksichtigt und Entwicklungsperspektiven der die Haushalte (43 %), in die Industrie (40 %) und in den Bereich
Wärmebereitstellung aus Biomasse systematisch erarbeitet,
• In welchen Wärmeteilsektoren
modelliert und bewertet, um nachhaltige Transformationspfade
Gewerbe, Handel und Dienstleistungen
wird die limitierte (GHD, 17 %). Fast die
Biomasse
Hälfte (49 %) wird als Raumwärme abgenommen, gefolgt von
für diesen Energiesektor aufzuzeigen. Dies erfolgte auf Basis eingesetzt?
der Prozesswärme (42 %) und letztlich einem geringen Teil an
verfügbarer Modellierungs- und Bewertungsansätze, die bereits Warmwasser (9 %). Am Endenergieverbrauch für Wärme haben
• Wie im
für die Ableitung von Bioenergiestrategieelementen sehen
Strom-mögliche Transformationspfade
erneuerbare bis13,6
Energien einen Anteil von 2050 aus?Biomasse
%, wobei
und Kraftstoffbereich erprobt sind (Thrän 2015). Dabei wurden mit 87 % die dominierende erneuerbare Energieform ist. 79 %
die gegenwärtig in der Entwicklung befindlichen Technologien der Wärme aus Biomasse werden durch den Energieträger Holz
systematisiert und ihre Wettbewerbsfähigkeit in verschiedenen bereitgestellt. Damit entstammt der überwiegende Anteil der
Sub-Sektoren simuliert. Eine der untersuchten Annahmen lautet biogenen Energieträger dem Forstbereich. In Biogasanlagen
zum Beispiel: Was passiert, wenn hohe Umweltauflagen eine kommen neben Reststoffen zusätzlich Energiepflanzen für die
Ausweitung der Flächennutzung für den Anbau von Energie- Bereitstellung von Wärme in KWK-Systemen sowie in geringem
pflanzen einschränkt? Die Stärke der verwendeten Simulations- nach
Endenergieverbrauch Umfang über Pflanzenöl-BHKW zum Einsatz.
Endenergieverbrauch Wärme
Anwendungsgebieten [9.329 PJ] 1 [4.458 PJ] 2
davon:
Endenergieverbrauch Bio-Wärme
[538 PJ] 2
2% 3%
0,2%
1,5%
1,0%
39% 86,5%
11,8%
53% 9,2%
0,6%
1,1%
3%
Wärme Kälte Solarthermie Geothermie Fossil
mechanische Energie IKT Pflanzenöl Biogas etc. Abfallanteil
Beleuchtung Holz
Abbildung 1 Endenergieverbrauch nach Anwendungsgebieten 2017 (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Abbildung und
2019a)(links) 1: Endenergieverbrauch
Endenergieverbrauchnach Anwendungsgebieten
Wärme [9.329 PJ] (rechts)
sowie Anteil Bio-Wärme 2017 (Bundesministerium
2017 (AEE 2019; für Wirtschaft und für
Bundesministerium
© NicoLeHe/pixelio.de
Wirtschaft
Energieund Energie
2019a) 2019b)
(links) und Endenergieverbrauch Wärme [4.458 PJ] sowie Anteil Biowärme [538 PJ] 2017 (AEE 2019;
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie 2019b) (rechts)
79 % der Wärme aus Biomasse werden durch den Energieträger Holz bereitgestellt. Damit
entstammt der überwiegende Anteil der biogenen Energieträger dem Forstbereich. In
Biogasanlagen kommen zusätzlich Energiepflanzen für die Bereitstellung von Wärme in KWK-
Systemen sowie in geringem Umfang über Pflanzenöl-BHKW zum Einsatz.
10 Auf dem Weg in eine nachhaltige Wärmeversorgung 11
Bei der Darstellung der Wärmeerzeuger nach Anwendungs- Von 1990 bis 2012 hat ein starker Anstieg beim Ausbau Endenergieverbrauch für Wärme
Endenergieverbrauch für Wärme Endenergieverbrauch nach nach
Endenergieverbrauch
sektor für das Jahr 2017 zeigt sich, dass 57 % der Wärmeer- erneuerbarer Energien stattgefunden. Damit erhöhte sich auch nach Sektoren
nach Sektoren Anwendungsgebiet
Anwendungsgebiet
zeugung aus Biomasse (nur Festbrennstoffe) in privaten der Anteil erneuerbarer Energien im Wärme- und Kältebereich.
Haushalten genutzt werden, vorrangig zur Raumbeheizung und Seit 2012 bis 2017 stagnierte diese Entwicklung und es ist nur
Warmwasserbereitstellung (BMWi 2019b). Die Industrie benö- noch ein moderater Anstieg zu verzeichnen (Umweltbundes-
tigt Wärme zur Prozesswärmebereitstellung. Zwei Drittel (Stand amt 2019). In den letzten Jahren hat es keine nennenswerte
2016) der Wärmeerzeugung stammen aus reinen Wärmeerzeu- Entwicklung beim Ausbau erneuerbarer Energien im Wärme- 43% 40% 42%
gern und 34 % aus KWK-Prozessen (Umweltbundesamt 2017). sektor gegeben. Dies ist unter anderem begründet durch das 49%
Industrie Raumwärme
Feste Biomasse kommt in industriellen Prozessanwendungen Ausbleiben der Novellierungen des EEWärmeG im Rahmen des
und Heiz(kraft)-werken zum Einsatz und kann in Biogasanwen- diskutierten Gebäudeenergiegesetzes (GEG) und der immer GHD Warmwasser
dungen dem KWK-Prozess zugeordnet werden. Der häusliche wieder diskutierten, aber bisher nicht umgesetzten steuerlichen Haushalte 9% Prozesswärme
Bereich setzt Festbrennstoffe bisher fast ausschließlich zur Förderung. Weiterhin spielen verschiedenste Subventionen im 17%
reinen Wärmebereitstellung ein. Wärmebereich und die geringen Öl- und Gaspreise am Welt-
markt eine Rolle.
Abbildung 33: Sektorengliederung
Abbildung Sektorengliederung für
für Wärme
Wärmeund Darstellung
und der der
Darstellung Anwendungsgebiete für 2017
Anwendungsgebiete für 2017 (AG Energiebilanzen e.V.
Geringe Impulse im Wärmebereich (AG Energiebilanzen
(AGEB) 2018) e. V. (AGEB) 2018)
Die Suche nach anwendungsnahen Lösungen
Ausgehend vom Zwei-Grad-Ziel der Weltklimakonferenz (COP21) Diese Systeme und Qualitäten sind jeweils durch andere Nach- Ein zentrales Beispiel ist die Forderung nach einer standardi-
im Jahr 2015 und dem Energiekonzept der Bundesregierung Die Wärmewende wird dadurch erschwert, dass der Wärme- frageprofile über das Jahr, unterschiedliche Temperaturniveaus sierten Kommunikationsschnittstelle an allen in der Leistung
folgend, in dem die Absicht formuliert wurde, bis zum Jahr 2030 markt eine hohe Komplexität und Vielschichtigkeit aufweist. und spezifische Bereitstellungsprozesse charakterisiert. Wärme regelbaren Wärmeerzeugern. Mit ihrer Hilfe kann ein firmenun-
gegenüber 1990 55 % weniger Treibhausgase zu emittieren, Während im Stromsektor Erfolge zu verzeichnen sind, stellt der ist zudem nur über kurze Strecken transportierbar und braucht abhängiger Zentralregler die Betriebsleistung innerhalb der
wurden Anteile erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch Wärmesektor aufgrund seiner Heterogenität im Hinblick auf daher anwendungsnahe Lösungen. Diese müssen darüber von der Anlage gesetzten Restriktionen flexibel anpassen. Um
festgelegt (BMU und BMWi 2010). Entsprechend der Koalitions- Technologien, Brennstoffe und insbesondere der Akteure eine hinaus den Eigentümer- und Mieterstrukturen gerecht werden die künftige Wärmebereitstellung aus Biomasse darzustellen,
vereinbarungen sollen bis zum Jahr 2030 erneuerbare Energien besondere Herausforderung dar. Anders als bei Strom sind je und auch die Erneuerungszyklen im Gebäudebestand berück- wurde im Vorhaben BioPlanW der Wärmemarkt als Teil des
einen Anteil von 65 % am Bruttostromverbrauch leisten (CDU et nach Einsatzbereich unterschiedliche Wärmesysteme und Wär- sichtigen, die mehrere Dekaden in Anspruch nehmen können. Energiesystems betrachtet und vier grundlegende Energie-
al. 2018). Des Weiteren soll unter Wahrung der wirtschaftlichen mequalitäten notwendig (z. B. unterscheidet sich die Raumwär- Damit bedarf es entsprechend weitsichtiger Rahmenbedingun- zenarien abgeleitet. Der Vielfalt der Wärmenutzungen wurde
Vertretbarkeit der Anteil Erneuerbarer Energien am Endener- me in Privathaushalten von Wärmebedarfen des GHD-Sektors gen und Regelungen. Aber auch die Gebäudestruktur und die durch die Beachtung von verschiedenen Sub-Sektoren und der
gieverbrauch für Wärme und Kälte bis zum Jahr 2020 auf 14 % bzw. vom Prozesswärmebedarfen der Industrie). Beschaffenheit des Strom- und Gasnetzes nehmen Einfluss auf Verbindung alter und neuer Technologiekonzepte Rechnung
erhöht werden (EEWärmeG 2008). die Wärmeerzeugung. Ein wichtiger Aspekt ist die Digitalisierung getragen. Es liegen insgesamt 52 Technologiekonzepte vor,
und somit der Informationsaustausch zwischen den einzelnen die erneuerbare Energien in unterschiedlichen Kombinationen
Infrastrukturen, die optimal zusammenwirken sollen. berücksichtigen.
Anteil erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch für Wärme und Kälte
Anteile in Prozent
16 %
14,2% 14,1% 14,1% 13,9% 14,4%
14 % 13,5% 13,7%
12,9%
12,4%
11,6%
12 %
10,8% 10,8%
10 %
8,8%
8,0%
8% 7,4%
6,6%
6%
4,8%
4,4% 4,7%
4%
2,1%
2%
0%
1990 … 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 © Szarka/DBFZ
Abbildung 2: Anteil erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch für Wärme und Kälte (Umweltbundesamt 2019) Abbildung 4: Vielfältigkeit des Wärmemarktes (Lenz et al. 2017)
Quelle: Umweltbundesamt (UBA) auf Basis AGEE-Stat, Stand 12/2019
12 Auf dem Weg in eine 13
Szenarien Klimakompromiss Standard (KKS): In diesem Szenario be- Tabelle 1: Festgelegte Sub-Sektoren zur Untersuchung des Modellierung
trägt das Ziel der THG-Minderung lediglich 80 %. Das Biomasse- Wärmemarktes in Deutschland im Projekt BioPlanW
potenzial ergibt sich vollständig aus den Abfall- und Reststoffen
Die Abbildung zukünftiger Marktentwicklungen in einem Modell in Höhe von 1.000 PJ. Es wird kein zusätzlicher Anbau von Die systematische Erschließung von Bedarfen, Potenzialen und
erfordert die Definition von Szenarien. Diese bilden jeweils die Biomasse für die energetische Nutzung betrieben und kein Nr. Märkte Märkten wurde mit Hilfe des Modells BENOPT (Bio-ENergyOPTi-
derzeitigen politischen Ober- und Untergrenzen in Bezug sowohl Import angenommen. misation model) realisiert, das den unter gewissen Randbedin-
auf das Reduktionsziel für Treibhausgase (80 % bzw. 95 % 1 2,5 kW – EZFH 30 kWh/m²a gungen kostenoptimalen Einsatz von Bioenergie im Wärmesek-
THG-Reduktion im Jahr 2050) als auch auf die Verfügbarkeit tor errechnet. Der Wärmesektor wurde hierzu zunächst in 19 in
von Biomasse ab (Szarka et al. 2019). Von dem in Deutschland Klimakompromiss Pro Biomasse (KKB): In diesem Szenario sich weitgehend homogene Sub-Sektoren differenziert. Jeder
wird ebenfalls eine Reduzierung um 80 % der Treibhausgas- 2 5 kW – EZFH 45, MFH 30, Mischnutzung 30
verfügbaren Reststoffpotenzial (Brosowski et al. 2015) und dem Sub-Sektor hat unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf
Flächenpotenzial für Energiepflanzen wird jeweils entweder ein emissionen gegenüber 1990 angesetzt. Im Kontrast zum Wärmebedarf, Infrastruktur und benötigter Anlagenkapazität
größerer oder kleinerer Anteil dem Wärmesektor zugeordnet. vorherigen Szenario werden zusätzlich zur Biomasse aus Abfall- 3 7,5 kW – EZFH 90 (Jordan et al. 2019) (Tabelle 1).
Die Bandbreite der Szenarien ist wie folgt gesetzt: Die x-Achse und Reststoffen jedoch auch noch 2 Mio. ha an Fläche für
zeigt die Anstrengung Treibhausgase (THG) einzusparen, die Anbaubiomasse angenommen. Es findet kein Import statt.
10,5 kW – EZFH 150, MFH 30–45, Innerhalb eines jeden Sub-Sektors wurden mögliche Techno-
y-Achse zeigt, ob ein hohes oder ein niedriges Biomasse- 4
Mischnutzung 30–45 logiekonzepte beschrieben. Dabei kommt mindestens eine
potenzial zur Verfügung steht (Frage nach der Nutzung von Klimafreundlich Standard (KFS): In diesem Szenario wird fossile Referenztechnologie, mögliche Bioenergietechnologien
Anbaubiomasse). eine Reduzierung der THG um 95 % angesetzt. Um dieses Ziel
5 14,9 kW – EZFH 180, GMH 30 und mindestens eine alternative erneuerbare Technologie zum
zu erreichen, wird an Biomasse nur das Reststoff- und Abfallpo- Tragen. Einen nennenswerten Neuwert bilden Hybridsysteme,
tenzial genutzt, jedoch keine Anbaubiomasse oder Import. welche nach aktuellem Kenntnistand bisher noch nicht in einer
Biomassepotenziale
6 20 kW – MFH 45–180, Mischnutzung 90
1.000 PJ + Anbau (~ 2 Mio. ha) Energiesystemanalyse betrachtet wurden. Zu jedem Technolo-
Klimafreundlich Pro Biomasse (KFB): In diesem Szenario giekonzept wurden detaillierte technische, ökonomische und
wird die Reduzierung von 95 % THG gegenüber 1990 festge- 7 80 kW – GMH 45–180 ökologische Daten recherchiert, welche als Eingangsgrößen in
Szenario 2 Szenario 4 legt. Zusätzlich wird das Potenzial an Biomasse aus Rest- und das Modell einfließen (Lenz und Jordan 2019b).
THG-Minderungsziele
„Klimakompromiss Pro „Klimafreundlich Pro
Biomasse (KKB)“ Biomasse (KFB)“ Abfallstoffen durch 2 Mio. ha. an Fläche für Anbaubiomasse 8 45 kW – GMH 45
erweitert, ohne Import. In den Szenarien findet ein Technologiewettbewerb statt. Dieser
80 %
95 %
9 27 kW – Mischnutzung & Gewerbe 30–180 wurde mittels eines am UFZ entwickelten, linearen Optimie-
rungsmodells abgebildet. Die Optimierung bringt zwei wichtige
Szenario 1 Szenario 3
Wichtiger Hintergrund für Szenarien Dinge unter einen Hut:
„Klimakompromiss „Klimafreundlich 10 31 kW – GT Beherbergung ab 1984
Standard (KKS)“ Standard (KFS)“
Bei den Energieszenarien handelt es sich um konsistente und ko- 11 45 kW – GT Beherbergung bis 1983 1. die Klimaziele und
härente Beschreibungen von möglichen zukünftigen Energiesyste-
1.000 PJ men. Sie können beschreiben, wie das Energiesystem aussehen
kann, wenn bestimmte Annahmen zutreffen (explorative) oder 12 45 kW – HAT Beherbergung/Sport/Kultur 2. die Wirtschaftlichkeit.
Abbildung 5: Szenario-Achse und ihre definierten Potenziale und können Transformationspfade aufzeigen, um definierte Ziele zu
THG-Minderungsziele bis 2050 (Thrän et al. 2020) erreichen (normative). Mit Szenarien können komplexe Systeme Die sogenannte Gesamtsystemkostenoptimierung beginnt
abgebildet, Unsicherheiten dargestellt, Zusammenhänge verstan-
13 35 kW – HAT Beherbergung/Sport/Kultur/Gewerbe
den und kritische Treiber und deren Sensitivitäten identifiziert
im Jahr 2015 und wird im Modell bis 2050 fortgeführt. Das
werden. Außerdem ist es möglich, die Einflüsse von (politischen) verfügbare Biomassepotenzial wurde kostenoptimal unter den
Basierend auf Forschungsergebnissen und Strategiezielen, 14 60 kW – Sport/Kultur 180
Entscheidungen darzustellen und anschließend zu analysieren. verschiedenen Sub-Sektoren entsprechend der verfügbaren
die die Spannweite der Einflussfaktoren als Bestandteil für die
Wärmesysteme aufgeteilt. Die Schnittstelle zum Stromsektor
Modelle bestimmen, wurden Szenarien definiert. Basis der 15 Leitungsgebundene Wärme
Szenarien haben ihre Grenzen: Sie sind keine Prognose und wurde basierend auf den Ergebnissen der Energieszenarien von
Parameter sind aktuelle Szenarien, bei denen die Szenarienent- können nicht als „realistisches“ Bild der Zukunft gesehen werden. Repenning et al. in das Modell integriert. Als Ergebnis liegen,
wicklung bis 2050 im Fokus der Untersuchungen lag und poli- Die Ergebnisse von Szenarien hängen stark von verschiedenen
16 Industrie < 200 °C ausgehend von den im Jahr 2015 eingesetzten Biomassemen-
tische Vorgaben (Repenning et al. 2015b). Mit Veröffentlichung Aspekten ab, z. B. Annahmen, Art und Ziele der Szenarien, be-
rücksichtigte Energiebereiche, Detaillierungsgrad, etc. So haben
gen und Technologiesystemen, in den vier Szenarien unter den
der neuen „Langfristszenarien“ des BMWi wurden die Szena-
beispielsweise normative Szenarien ein gesetztes Ziel mit einem gesetzten Rahmenbedingungen kostenoptimale Transforma-
rien überprüft (Pfluger et al. 2017). Als Basis für die Definition 17 Industrie 200–500 °C
bestimmten Zeitraum (z. B. Anteil von THG-Emissionen bis 2050) tionspfade bis zum Jahr 2050 vor. Der Bedarf nach landwirt-
wurden Treibhausgasemissionen und zur Verfügung stehende
und zeigen mögliche Transformationspfade auf, wie dieses Ziel schaftlicher Fläche zur Produktion der Biomasse und deren
Biomassepotenziale definiert. Alle Treibhausgasminderungen 18 Industrie > 500 °C
erreicht werden kann. Explorative Szenarien dagegen zeigen, ob Verortung wurde mit dem räumlichen Landnutzungsmodell
beziehen sich auf das Jahr 1990. Insgesamt wurden vier Sze- ein Ziel (z. B. THG-Minderung) erreichbar ist. LandSHIFT der Universität Kassel bestimmt.
narien herausgestellt, die sich an dem Biomassepotenzial und
der Treibhausgasemissionsminderung bis 2050 orientieren. Szenarien können auch als Wenn-Dann-Beziehungen verstanden 19 Industrie-Koks
werden, wobei „wenn“ durch Annahmen definiert ist. Es werden
Diese vier Szenarien bilden jeweils die obere und untere Grenze
Annahmen getroffen (bspw. sozioökonomische Entwicklungen, Zukünftige Entwicklungen
in Bezug auf das Reduktionsziel für Treibhausgase (80 % bzw. Legende: EZFH = Ein- & Zweifamilienhäuser; MFH = Mehrfami-
wie Bevölkerung, BIP, fossile Preise) und Ergebnisse gezeigt, die
95 % Treibhausgasreduktion im Jahr 2050) und in Bezug auf eintreten, wenn die angenommenen Parameter berücksichtigt lienhäuser; GMH = Großmehrfamilienhäuser; GT = Ganztags-
die Verfügbarkeit von Anbaubiomasse für den Wärmesektor ab. nutzung; HAT = Halbtagsnutzung; Die Zahl am Anfang gibt die Auch die zukünftige Entwicklung des Wärmebedarfs wird be-
werden.
Basierend auf der Szenarienachse ergeben sich vier Extremmo- rücksichtigt, indem auf Daten des Gebäudemodells „Building
Anlagengröße in kW an. Die Zahl hinter dem Gebäudetyp gibt
delle, die bis 2050 abgebildet werden. Die vier Zukunftsbilder Szenarien zur Bioenergie sind häufig durch verschiedene Arten Stock Transformation Model“ (Building-STar) vom Öko-Institut
die Heizwärmebedarfsklasse(n) in kWh/m²a an.
werden im Folgenden näher beleuchtet. Das Szenario „Klima- von Unsicherheiten gekennzeichnet: Welche Biomassepotenziale zurückgegriffen wird (Koch et al. 2018). Dieses Modell bildet
kompromiss“ erzielt bis 2050 eine THG-Minderung von 80 % für die energetische Nutzung werden künftig erwartet, welcher den Gebäudebestand in Deutschland und dessen zukünftige
Wärmebedarf wird erwartet, wie entwickeln sich Konkurrenztech- Sanierungsentwicklung ab.
und das Szenario „Klimafreundlich“ von 95 % gegenüber 1990.
nologien und Infrastruktur und welcher Klimaschutzbeitrag soll
Das Szenario „Standard“ begrenzt das Biomassepotenzial auf im Energiesystem erzielt werden? Die Szenarienmodelle setzen
Abfall- und Reststoffe und das Szenario „Pro Biomasse“ erlaubt hier teilweise Annahmen ein bzw. berechnen die Biomasseverfüg-
auch Anbaubiomasse. Angenommen werden für die Abfall- und barkeit und -verteilung anhand von Optimierungsfunktionen. Die
Reststoffe 1.000 PJ und für die Anbaubiomasse zur Verfügung Ergebnisse zeigen ein entsprechend breites Spektrum.
stehende 2 Mio. ha auf Basis von Expertenworkshops (Brosow-
ski et al. 2015). Für die Biomassepotenziale werden vor Beginn
der Simulation Potenziale für Verkehr und Strom abgezogen,
sodass nicht die gesamten Potenziale rein für die Wärmebereit-
stellung zur Verfügung stehen.
14 Auf dem Weg in eine nachhaltige
AufWärmeversorgung
dem Weg in eine 15
Ergebnisse
Nr. Technologie Sektor Nr. Technologie Sektor
Hybridsysteme sind im Kommen Marktrelevante Biowärme-Technologien Elektrische Luft-Wasser-Wärmepumpe 28 Biomasse-Direktzugabefeuerung
13
mit PV-Stromversorgung
Die Ergebnisse aus der Szenarienmodellierung zeigen, dass Aufbauend auf den Daten und Modellierungen unter Einbezie- 29 Holzhackschnitzelkessel
Biomasse mittelfristig vor allem in Klein- und Kleinst-WKK- hung erwarteter Entwicklungen werden über 40 aus heutiger Elektrische Boden-Wasser-Wärmepumpe
Hybridsystemen1 innerhalb der privaten Haushalte kostenopti- Sicht marktrelevante Biowärme-Technologien vorgestellt. Im 14
mit PV-Stromversorgung Holzvergasung mit anschließender direkter
mal eingesetzt wird, speziell in (torrifzierten) Pellet-WKK- Detail eröffnen die Daten wie ein spezifisches Anlagenschema, 30
Gasfeuerung
Anwendungen kombiniert mit einer Wärmepumpe und Photo- das Einsatzgebiet, Kostenstrukturen und die THG-Minderung
Elektrische Luft-Wasser-Wärmepumpe in Kombi-
voltaikanlage. Mit ansteigenden Strompreisen, wie es aktuelle die Möglichkeit, einzelne Anlagen und Anlagenkombinationen
Energieszenarien projizieren, bieten diese Hybridsysteme im 15 nation mit solarthermischer (Vor-)Erwärmung und 31 Holzvergaser-Gasturbinen-Heizwerk
miteinander zu vergleichen. Gerade in einem unübersichtlichen
Modell das kosteneffizienteste THG-Einsparpotenzial für den Markt der Wärmesysteme schaffen die Technologiesteckbriefe PV-Stromversorgung
Biomasseeinsatz. Trotzdem findet ab dem Jahr 2040–2045, eine Übersicht, die es in dieser Datentiefe noch nicht gab. 32 Stahlkoks aus Biokohle
in den 95 %-Reduktionsszenarien, eine Verschiebung des Folgende Technologien werden vorgestellt: Elektrische Boden-Wasser-Wärmepumpe
Biomasseeinsatzes von den privaten Haushalten zu Hochtem- 16 in Kombination mit solarthermischer (Vor-)
33 Biomethan-Direktfeuerung
peratur-Industrieanwendungen statt. Mangels kostengünstiger Erwärmung und PV-Stromversorgung
erneuerbarer Alternativen für Prozesswärme wurde für eine fast
vollständige Dekarbonisierung des Wärmesektors die begrenzte Tabelle 2: Technologietypen 34 Biomethan-Niedertemperaturkessel
Wärmepumpe mit PV-Strombereitstellung
Biomasse nahezu vollständig in der Prozesswärme nachgefragt, 17
in Verbindung mit wasserführendem Scheitholzofen
obwohl andere Bioenergietechnologiekonzepte in anderen Sub- Nr. Technologie Sektor 35 Biomethan-Gasturbinen-Heizwerk
Sektoren weiterhin kostenseitige Vorteile aufwiesen, jedoch die
Gebäude (private Haushalte & GHD)
Gesamtkosten bei dieser Nutzung gestiegen wären. Dies kann 18 Wärmepumpen-Kombination mit Pelletkessel und PV
Scheitholzofen mit Wassertasche in Kombination mit 36 Biomethan-Brennstoffzelle
auch an dem noch niedrigen Ausdifferenzierungsgrad der indus- 1
solarthermischer Anlage
triellen Hochtemperaturprozesse liegen. 19 Biomethan-Brennwerttherme
Industrie
Hochtemperatur-Wärmepumpe mit solarthermischer
37
Scheitholzvergaserkessel in Kombination mit Vorheizung und Biomethan-BHKW Back-up
Lösungsräume 2 Biomethan-Brennwerttherme in Verbindung mit
solarthermischer Anlage 20
solarthermischer Anlage
Kombisystem aus Solarthermie, Wärmepumpe
38
Mittels einer systematischen globalen Sensitivitätsanalyse wur- 3 Monovalente Pelletheizung (Kessel) und Holzhackschnitzelkessel
Biomethan-Brennwerttherme in Verbindung mit
den im Projekt BioPlanW die Unsicherheiten von insgesamt 32 21
Eingangsparametern in gemeinsamer Interaktion untersucht. Scheitholzofen
Pelletheizung (Kessel) in Verbindung mit 39 Elektro-Lichtbogen
Der Unsicherheitsbereich der Eingangsparameter wurde dabei 4
solarthermischer Anlage
mittels bestehender Studien oder Expertenwissen bestimmt. 22 Gas-Brennwerttherme
40 Gas-Niedertemperaturkessel
Die umfangreiche Analyse (34.000 Modellläufe) hat ergeben,
5 Integrierter Pelletbrenner mit Solarthermie
Gebäude (private Haushalte & GHD)
dass unter den gesetzten Rahmenbedingungen nur drei Para- Gas-Brennwerttherme in Verbindung
meter einen signifikanten Einfluss auf die Wahl der Technologi- 23 41 Gas-Kessel
mit solarthermischer Anlage
en haben, der Strompreis, der Gaspreis und das Klimaziel. Vier Vergaser für Holzpellets mit motorischem Kleinst-
6
weitere Parameter weisen deutliche Verstärkungseffekte auf die BHKW 42 Gas-Direktfeuerung
Gas-Brennwerttherme in Verbindung
Marktanteile auf, ändern jedoch nicht die Wahl der Technologie. 24
mit Scheitholzofen
In allen Fällen wird ein bedeutender Anteil des Biomassepo- Holzpelletvergaser mit BHKW bzw. später Brennstoff- 43 Gasturbinen-Heizwerk
tenzials in Form von Hackschnitzeln in Industriefeuerungen 7
zelle in Kombination mit Solarthermie und PV
eingesetzt. Bei einem starken Anstieg der Strompreise domi- Gas-Brennstoffzelle mit solar-thermischer
25 44 Gas-Brennstoffzelle
nieren jedoch lange Zeit die Pellet-WKK-Hybridsysteme in den Wärmebereitstellung zum Einsatz von Biomethan
Wärme-Kraft-Kopplung auf Basis Holzpellets in
privaten Haushalten. Die Kombination von Wärmepumpen mit 8
Einzelraumfeuerungen hat in allen Fällen, außer bei niedrigen Kombination mit Wärmepumpe und PV 45 Kohle-Direktzugabefeuerung
Gas-Brennstoffzelle mit solarthermischer
Strom- und Gaspreisen und einem moderaten Klimaziel, einen 26
Wärmebereitstellung
kleinen, jedoch stabilen Marktanteil (Jordan et al. 2020). Vergaser für torrefizierte Holzpellets mit 46 Stahlkoks aus Steinkohle
9
motorischem Kleinst-BHKW
Gas-Brennstoffzelle in Kombination
27
mit Gasbrennwertkessel und Solarthermie Holzhackschnitzelvergaser-BHKW mit Übergang auf
Wärme-Kraft-Kopplung auf Basis torrefizierter Holz- 47
10 Brennstoffzelle ab 2035 (kaskadiert)
pellets in Kombination mit Wärmepumpe und PV
Hochtemperatur-Wärmepumpe mit Solarthermie
Ausgehend vom Stand 2015 wurden die potenziellen tech- 48
Leitungsgebundene Wärme
11 Holzhackschnitzelkessel mit Solarthermie und Spitzenlast Biomethan-BHKW
nologischen Entwicklungsoptionen (unter Berücksichtigung
u. a. von Leistungsgröße, Flexibilität, Brennstoffpalette und
Elektrodirektbeheizung in Kombination mit 49 Gasturbinen-Dampf-Heizkraftwerk (GuD)
12 Emissionsniveau) abgeschätzt und in Fünf-Jahresschritten
Solarthermie
2020 bis 2050 bezüglich der Auswirkungen auf die charakte-
risierenden Parameter beschrieben. Sowohl die Auswahl der Müllheizkraftwerk in Verbindung
50
Biowärme-Technologien, also auch deren charakterisierenden mit Holzhackschnitzelkessel
Parameter und ihre zukünftigen Entwicklungsoptionen wurden
mit Stakeholdern (Workshop oder Experteninterviews) diskutiert Kohle-Heizkraftwerk mit Holzhackschnitzel-
und abgestimmt. 51
mitverbrennung
1
Bei Klein- und Kleinst-WKK-Hybridsystemen handelt es sich um Wärmeerzeuger, die mindestens zwei unterschiedliche erneuerbare Wärmequellen
nutzen (z. B. Umgebungswärme mittels Wärmepumpe und Biomasse), wobei die Biomasseanlage mittels Vergasung und Blockheizkraftwerk sowohl
52 Kohle-Heiz-Kraftwerk für leitungsgebundene Wärme
Wärme als auch gleichzeitig Strom bereitstellen kann. Der Betrieb der Biomasseanlagen erfolgt nach dem Prinzip, nie mehr Wärme als benötigt zu
erzeugen, die Erzeugung gepuffert durch einen Wärmespeicher, jedoch am Strombedarf im Netz ausrichten (Netzstabilität). Im Zusammenhang mit der
zweiten erneuerbaren Wärmequelle soll Biomasse nur dann eingesetzt werden, wenn die andere Wärmequelle nicht ausreichend zur Verfügung steht
oder deutliche ökonomische Nachteile aufweist (z. B. Wärmepumpe im Winter mit niedrigen Arbeitszahlen und hohen Strompreisen).16 Technologie-Steckbriefe 17
Resümee
Im Projekt konnte nachgewiesen werden, dass eine Modellie-
Technologie-
rung des komplexen Wärmemarktes möglich ist. Des Weiteren
wurden stabile Tendenzen identifiziert, die sich unter den gege-
benen Rahmenbedingungen ergeben. Grundsätzlich konnten
für den umfangreich abgebildeten Gebäudewärmebedarf die
Sinnhaftigkeit von Hybrid-WKK-Systemen genauso wie die ver-
stärkt im Neubau eingesetzten Kombinationen von Wärmepum-
pe und Einzelraumfeuerstätte bestätigt werden. Darüber hinaus
Steckbriefe
hat sich selbst bei der bisher noch wenig ausdifferenzierten
Prozesswärmenachfrage gezeigt, dass diese bei zunehmender
Treibhausgasreduktionsanforderung an Bedeutung gewinnen
kann, solange nicht kostengünstige erneuerbare Alternativtech-
nologien entwickelt und etabliert werden.
Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse können weitere
Optimierungen und Weiterentwicklungen des Modells erarbeitet
werden. Gleichzeitig kann die Forschung und Markteinführung
die genannten Trends unterstützen und befördern, um die
Transformation auch im Wärmebereich wieder zu
beschleunigen.
FRAGEN des Forschungsprojektes
Zukünftige Rolle der Bioenergie im deutschen Wärmesektor?
Welche Bioenergie-Technologiekonzepte sind wettbewerbsfähige Optionen
in einem zukünftigen, nachhaltigen Wärmesektor?
In welchen Wärmeteilsektoren wird die limitierte Biomasse eingesetzt?
Wie sehen mögliche Transformationspfade bis 2050 aus?18 1 Scheitholzofen mit Wassertasche in Kombination mit solarthermischer Anlage 19
20
Sc
ho
rn
1 Scheitholzofen mit Wassertasche
in Kombination mit
ste
in
solarthermischer Anlage
ST
-A
nla
ge
In sehr gut gedämmten Ein- und Zweifamilienhäusern mit Wärmebereitstellung wird in dem installierten Pufferspeicher
Sc einem spezifischen Wärmebedarf unterhalb von 30 kWh/(m2a) ein Heizstab vorgesehen, der auch Überschussstrom aus dem
he kann ein nennenswerter Anteil an Wärme für Warmwasser und Netz zu Wärme wandeln kann. Wichtig für ein erfolgreiches
ith
olz
of Heizung über eine solarthermische Anlage abgedeckt werden Funktionieren ist eine Anwendung, bei der insbesondere im
en
(rund 50 %). Für Personen, die gerne selbst mit Holz heizen, Winter regelmäßig mit Scheitholz geheizt wird und den Wärme-
kann ein Scheitholzkaminofen mit Anbindung an die Zentralhei- bedarfshinweisen der Regelung (Anzeige im Wohnbereich zu
zungsanlage über Wassertaschen am Ofen (bis zu 80–90 % der Pufferladestand und erwartetem Bedarf oder über Handy-App)
Wärme können wahlweise ins Zentralheizsystem eingekoppelt gefolgt wird.
werden) eine sinnvolle Lösung darstellen. Zur Absicherung der
sehr gut gedämmte Ein- und Instandhaltung, Wartung,
Einsatzgebiet Betriebskosten
Zweifamilienhäuser Schornsteinfeger, Sonstiges 400 €/a
Tr –– Solarkollektorfläche (Flachkollektor)
in He Holzbrennstoffbedarf 1 t/a bei 15 % Wassergehalt Hartholz
wa kw
ss arm be izwä Größe 8–10 m2
er re rm
sp - its e –– Ofen 5 kWth
eic tel - Strombedarf ca. 165 kWh/a
he lun
Pu r g
ffe Typische Wärme- 5–8 MWh/a
rsp min. 6 gCO2-Äq./MJ
eic bereitstellung (in BioPlanW 7 MWh/a) THG-Emissionen
her max. 9 gCO2-Äq./MJ
So –– Ofen mit sekundären Emissions- –– vergleichsweise einfacher Aufbau
lar
Tr pu minderungseinrichtungen und –– ggf. Nutzung eigener Scheitholz-
in m
zu kw pe Wassertasche 4.200 € Vorteile
lei as reserven und damit Verbrauch-
tu se –– Solarthermische Anlage
ng r- kostenoptimierung möglich
knapp 9 m2 ca. 1.700 €
Kosten
–– Puffer
–– Arbeitsbedarf durch manuelles Holz-
1.000 L mit 200 L Trinkwasser-
nachlegen
speicher im Tank
Nachteile –– hohe Emissionen bei heutigen Öfen
1.300 €
bei unzureichender Betreuung des
–– Montage 2.300 €
Abbrands
Scheitholzofen mit Wassertasche in Kombination mit solarthermischer Anlage20 2 Scheitholzvergaserkessel in Kombination mit solarthermischer Anlage 21
2 Scheitholzvergaserkessel
in Kombination mit
solarthermischer Anlage
In Gebäuden mit kleinerem bis mittlerem Wärmebedarf dem Spitzenleistungsbedarf des Objekts, sondern eher nach
könnten Scheitholzvergaserkessel zum Einsatz kommen. Sie dem Tageswärmebedarf, der möglichst mit einem Abbrand
St zeichnen sich durch für Holzfeuerungen überschaubare Inves- bereitgestellt werden sollte (Füllvolumen der Feuerung). Durch
r
Zä oma titionskosten aufgrund der fehlenden automatischen Brenn- einen unteren oder seitlichen Abbrand auch mit automatischer
h n
Ha ler sch stoffzufuhr und der einfachen Gestaltung des Brennstofflagers Zündung und einer Lambda geführten Luftregelung können
us und lus
ve s, aus. Dieser Vorteil wird durch einen hohen manuellen Aufwand zu Pelletkesseln vergleichbare Emissionen erreicht werden.
rte
ilu beim Brennstoffnachlegen erkauft. In der Regel werden Die Kombination mit einer solarthermischen Anlage (auch zur
ng
½ m- oder 1 m-Scheite eingesetzt, so dass in der Heizperiode Heizungsunterstützung) mit einem üblichen Beitrag von etwa
einmal täglich etwa eine halbe bis eine ganze Stunde an Arbeit 20 % der Gesamtwärmenachfrage bietet sich an, um den
anfällt (inkl. Antransport des Brennstoffs an den Kessel). Das Kessel nicht im Sommer und seltener in der Übergangszeit mit
Na System weist meist einen Heizwasserpufferspeicher auf, der niedrigen Nutzungsgraden und hohen Emissionen betreiben zu
ch
he nahezu die Wärme eines vollständigen Abbrands aufnehmen müssen.
iz Tr
(e pat in kann. Die Größenauslegung des Kessels erfolgt weniger nach
lek ro
tri ne wa kw
sc ss arm
er
So h) sp -
lar eic
pu h
m er
pe unterschiedliche Gebäude mit Strombedarf 210–750 kWh/a
Sc kleinerem und mittlerem Heizenergie-
h Einsatzgebiet
ta eith bedarf bei Nutzung mit Bereitschaft zu 2,5–11 t/a
ge o
Tr sv lz- regelmäßiger manueller Arbeit bei 4,3 MWh/t
in or Scheitholzbedarf
zu kw ra
t (15 % Wassergehalt Weichholz)
lei as
tu se –– Objekt 5–25 kWth
ng r- Größe
–– Kessel 20–30 kWth min. 6 gCO2-Äq./MJ
Pu THG-Emissionen
ffe max. 7 gCO2-Äq./MJ
rsp Sc Gesamtwärmebedarf 10,4–47 MWh/a
eic h
he ve eith –– unter den Holzkesseloptionen die
r rg ol
as z- Variante mit den niedrigsten
er –– Kessel 5.500–10.000 €
ke Vorteile Investitionskosten
ss –– Lager 1.000–2.000 €
el –– Option zur Selbstwerbung des Brenn-
–– Puffer
stoffs
Kosten 200–500 L Trinkwarmwasser und
Scheitholzvergaserkessel in Kombination mit solarthermischer Anlage 2.000 L Heizwarmwasser
2.400–3.000 € –– hoher manueller Aufwand
–– Montage 2.200–4.200 € (= geringerer Komfort im Vergleich zu
allen anderen Heizoptionen)
Nachteile
–– Luftschadstoffemissionen, die über
Instandhaltung, Wartung, Schornstein- verschiedene Optionen weiter zu
Betriebskosten
feger, Sonstiges 380–800 €/a senken wären22 3 Monovalente Pelletheizung (Kessel) 23
3 Monovalente Pelletheizung
(Kessel)
Gebäude mit niedrigem bis mittlerem Heizwärmebedarf und ist vergleichbar einer Ölheizung und mit ein bis zwei Pelletbe-
ausreichendem Platzangebot im Gebäude (z. B. Keller oder füllungen über Tankwagen kann auch in dieser Hinsicht von
Dachstuhl) können auf systemtechnisch einfache Weise einem hohen Komfort ausgegangen werden. Wichtig für einen
komplett auf erneuerbare Energien umgestellt werden, indem effizienten Betrieb ist eine knappe Leistungsauslegung und der
eine Pelletheizung installiert wird, die die gesamte Wärmebe- Einsatz zumindest eines kleinen Pufferspeichers.
reitstellung inkl. Trinkwarmwasser übernimmt. Der Komfort
Wohngebäude und Nicht-Wohngebäude Instandhaltung, Wartung, Schornstein-
Betriebskosten
verschiedener Größe und Wärmebe- feger, Sonstiges 20–1.400 €/a
Einsatzgebiet
darfe. Eher kleinere Leistungen als bei
Holzhackschnitzeleinsatz. Strombedarf 360–2.200 kWh/a
Größe 5–42 kWth Pelettbedarf 2,8–19,4 t/a
Ge min. 12 gCO2-Äq./MJ
Pe
he bäud ll etb
Gesamtwärmebedarf 10,4–74 MWh/a THG-Emissionen
max. 13 gCO2-Äq./MJ
izu eb
ng e- ef
üll
un –– Kessel 1.200–950 €/kWth –– weitgehende THG-Neutralität
g
–– Pelletlager 700–285 €/kWth –– etablierte komfortable Technologie
–– Puffer Vorteile –– zertifizierter einheitlicher Brennstoff,
200 L Trinkwarmwasser (TWW) der meist preislich etwas günstiger
Kosten
und 500 L Heizwarmwasser (HWW) als fossile Brennstoffe ist
bis 500 L TWW und 200 L HWW
Tr 1.000–2.100 €
in –– hohe Investitionskosten
zu kw –– Montage 2.000–2.500 €
lei as Nachteile –– Feinstaubemissionen
tu se
ng r- Br Pe –– Ascheentsorgung
en ll
ns etl
to ag
ffzu er
fu
hr
Pe
lletk
es
se
l
Monovalente Pelletheizung (Kessel)24 4 Pelletheizung (Kessel) in Verbindung mit solarthermischer Anlage 25
7
So
lar
Sc
ho
rn
s te
in 4 Pelletheizung (Kessel)
in Verbindung mit
th
er
m
ie
solarthermischer Anlage
In Mehrfamilienhäusern und Nicht-Wohngebäuden mit Auslegung können sich bei etwas größerer Wärmenachfrage
mittlerem bis hohem Wärmebedarf bzw. bei hohem Warm- kostenseitige Synergien ergeben und der Einsatz von Biomas-
wasserbedarf, bietet sich eine Kombination aus Pelletkessel se kann reduziert werden. Im Winter kann die Effizienz der
und solarthermischer Anlage an. Es ist auf eine passende solarthermischen Anlage durch die Vorheizung des Rücklaufs
Speicherauslegung zu achten um den Pelltkessel knapp zu bzw. des Trinkwarmwassers optimiert werden. Der Pelletkessel
dimensionieren. Durch die solarthermische Wärme kann im sollte in dieser Konstellation aufgrund höherer Betriebszeiten
Sommer auf den in dieser Zeit häufig wenig effizienten Betrieb ausschamottiert sein.
des Pelletkessels verzichtet werden. Durch eine optimierte
Mehrfamilienhäuser und Nicht- Pelletbedarf 16–37 t/a
Wohngebäude verschiedener Größe
Einsatzgebiet
und Wärmebedarfe. Mittlere bis hohe
Leistungs- und Energiebedarfe Strombedarf 1.500–4.200 kWh/a
Ho
un lzpe
d - lle
lag tzu min. 8 gCO2-Äq./MJ
er fuh –– Pelletkessel 1–70 kWth THG-Emissionen
r Größe
–– Solarthermie 22–73 m2 max. 10 gCO2-Äq./MJ
56–145 MWh/a –– weitgehende THG-Neutralität
Tr Gesamtwärmebedarf –– etablierte komfortable Technologie
in
wa k w Anteil Solarthermie 15–30 %
ss arm –– zertifizierter einheitlicher Brennstoff,
er
sp -
eic der meist preislich etwas günstiger als
Br
h er –– Kessel 900–1.000 €/kWth Vorteile
e fossile Brennstoffe ist
zu nns –– Pelletlager 440–170 €/kWth
fu to –– durch Kopplung mit Solarthermie
hr ff-
–– Puffer
500 L Trinkwarmwasser (TWW) höhere Effizienz des Pelletkessels und
in 1.000 L Heizwarmwasser (HWW) verminderter Biomasseeinsatz
Kosten
und 500 L TWW in 2.000 L HWW bis
Pe
Tr
in 1.000 L TWW in 4.000 L HWW und –– höhere Investitionskosten, höher als
lle zu k w
tke lei as
tu se 2.000 L TWW in 4.000 L HWW bei alleiniger Pelletkessellösung
ss ng r-
el –– Feinstaubemissionen
2.100–6.300 € Nachteile
–– Montage 4.900–12.000 € –– Ascheentsorgung
–– für effizienten Betrieb ist Verbund-
Instandhaltung, Wartung, Schornstein- regler nötig (Komplexität)
Monovalente Pelletheizung (Kessel) in Verbindung mit solarthermischer Anlage Betriebskosten
feger, Sonstiges 1.500–2.200 €/a26 5 Integrierter Pelletbrenner mit Solarthermie 27
5 Integrierter Pelletbrenner
mit Solarthermie
ST
-A
nla
ge
Einzelne Marktanbieter (z. B. Paradigma) bieten Pufferspeicher die Verluste von Rohrleitungen zwischen Feuerung und Puffer.
mit integriertem Pelletbrenner an. Hierbei werden Holzpellets Außerdem kann die Kesselwasserpumpe entfallen. Häufig wird
aus einem Vorratsbehälter direkt in ein Verbrennungsrohr inner- diese Lösung mit einer solarthermischen Anlage kombiniert,
halb des oberen Drittels des Pufferspeichers gefördert und dort die den Einsatz der vergleichsweise kostenintensiven Pellets im
so verbrannt, dass die entstehende Wärme direkt in den Puffer- Sommer und den Übergangszeiten deutlich reduziert.
speicher übergeht. Dadurch verringert sich der Platzbedarf und
Ein- und Zweifamilienhäuser aller Art, Betriebskosten 450–730 €/a
gut gedämmte kleinere Mehrfamilien-
Einsatzgebiet
häuser und sehr gut gedämmte
größere Mehrfamilienhäuser Pelletbedarf 0,9–5 t/a
–– Brennerleistung 2–12 kWth Strombedarf 380–1.100 kWh/a
Größe
St –– Solarkollektorfläche 5–11 m2
r
Zä oma min. 8 gCO2-Äq./MJ
h n THG-Emissionen
Ha ler sch max. 10 gCO2-Äq./MJ
Pe us und lus Gesamtwärmebedarf 7–25 MWh/a
ll etb ve s,
rte
ef ilu
üll ng
un –– geringer Platzbedarf
g –– Pelletbrenner 2–12 kWth
1.750–770 €/kW Vorteile –– etwas bessere Effizienz
–– Brennstofflager 1.300–400 €/kW –– etwas geringere Baukosten
So
lar –– Solarthermische Anlage 8,5–12 m2
pu
m
pe 1.500–2.000 € –– nicht größere Leistungen möglich
Ele
Kosten –– wenig Auswahl bei Herstellern
–– Puffer Nachteile
ktr
oh 500 L Trinkwarmwasser (TWW) in (Puffer ggf. nicht optimal)
eiz
int sta 1.000 L Heizwarmwasser (HWW)
Pe eg b
lletl Pe rie
ag lle rte bzw. 200 L TWW in 1.000 L HWW
er tb r
re ca. 1.500 €
nn
Br er
e –– Montage ca. 3.200–3.600 €
zu nns Tr
ink
fu to wa w
hr ff-
ss arm
er
sp -
Pu eic
ffe he
rsp r
Tr eic
ink h er
zu w
lei as
tu se
ng r-
Integrierter Pelletbrenner mit Solarthermie28 6 Vergaser für Holzpellets mit motorischem Kleinst-BHKW 29
23
6 Vergaser für Holzpellets
mit motorischem Kleinst-BHKW
Gebäude mit hohem Gesamtwärmebedarf bzw. vielen Vollbe- Durch ein innovatives Regelkonzept soll die Anlage so gefahren
nutzungsstunden könnten sich für Wärme-Kraft-Kopplungsanla- werden, dass Strom nur dann bereitgestellt wird, wenn er auch
gen auf Festbrennstoffbasis eignen. Dabei erfolgt die Größen- im Netz benötigt wird. Dadurch trägt das System zur Stromnetz-
auslegung unter Berücksichtigung eines Wärmepufferspeichers stabilisierung bei. Aufgrund der Anlagengröße ist der Einsatz
nach dem Wärmebedarf vergleichbar eines Pelletkessels. von Holzpellets möglich.
verschieden große mittelalte und alte Pelletbedarf 39–67 t/a bei 4,9 MWh/t
Mehrfamilienhäuser und Nicht-
Einsatzgebiet
Wohngebäude mit Ganztagsnutzung Strombedarf 3.750–6.230 kWh/a
und hohem Warmwasserbedarf
THG-Emissionen1 12 gCO2-Äq./MJ
–– Thermische Leistung 29–79 kWth
Größe
–– Elektrische Leistung 11–38 kWel
–– nur eine Anlage
Vorteile –– Holzpellets sind gut lagerfähig
Typische –– Festbrennstoff-WKK
100–165 MWh/a
Wärmebereitstellung
St
r –– Anlage gerade in kleiner Leistung
Zä oma –– WKK-Anlage 1.500–1.650 €/kWth
h n vergleichsweise teuer
Ha ler sch –– Puffer
us und lus –– Technologie-Reifegrad 6–7
ve s,
Ho
rte 500 L Trinkwarmwasser (TWW) in –– Holzpelletvergasung erfordert höhere
ilu Nachteile
be lzpe ng Kosten 500 L Heizwarmwasser (HWW) bzw. Aufmerksamkeit bei Gasreinigung
fü lle
llu t- 500 L TWW in 2.000 L HWW
ng –– flexibler Betrieb birgt gewisses
Tr 6.000–3.000 €
in
wa kw Teerrisiko
ss arm –– Pelletlager 12.000 €
er -
–– Montage 2.500–4.000 €
Instandhaltung, Wartung, Schornstein-
Betriebskosten
Tr
in
feger, Sonstiges 3.000–3.300 €/a
zu kw
lei as
tu se Ho
ng r-
Ho laglzpe
er llet
Pu
ffe zu lzpe -
fu lle
rsp hr t-
eic
he M
r ot Kl
or ein
-B
HK stv
W er
ga
se
r
Vergaser für Holzpellets mit motorischem Kleinst-BHKW
1
In KWK-Prozessen erfolgte die Aufteilung der THG-Emissionen zwischen den Produkten Wärme und Strom mittels exergetischer
Allokation nach (Thrän et al. 2013).30 7 Holzpelletvergaser mit BHKW bzw. später Brennstoffzelle in Kombination mit Solarthermie und PV 31
5 Holzpellet-Wärme-Kraft-Kopplung
+ Solarthermie + PV
PV
-A
Sc
h or
n ste
in
7 Holzpelletvergaser mit BHKW
bzw. später Brennstoffzelle in Kom-
n lag
e
ST
-A
nla
ge
bination mit Solarthermie und PV
Bei mittleren bis hohen Wärmebedarfen im Wärmeversorgungs- Lebensdauer erhöht werden. Um dann auch im Sommer Strom
bereich kann die Betriebweise der Holzpelletvergaser-BHKW- zu generieren und eine vergleichbare Dachausnutzung aufzu-
Einheit durch eine solarthermische Anlage unterstützt werden, weisen wie das alternative Wärmepumpen-Solarthermie-PV-
die insbesondere im Sommer bei hoher Solareinstrahlung und System wird zusätzlich eine PV-Anlage integriert. Zum Ausgleich
niedrigem Wärmebedarf die Wärmeversorgung übernimmt. von Unterschieden zwischen Stromangebot und -nachfrage im
Dadurch können die Starts und Stopps der Anlage bei der hier begrenzten zeitlichen Rahmen wird ein Home-Stromspeicher
vorgesehenen Wärmeorientierung deutlich reduziert und die des Nutzenden kostenfrei unterstellt.
mittlere und große Wärmebedarfe in Betriebskosten 2.200–2.900 €/a
Einsatzgebiet der Objektwärmeversorgung bei hohen
Vollbenutzungsstunden Pelletbedarf 19,4–39,8 t/a
–– Leistungsbedarf 34–35 kW Strombedarf 2.200–4.440 kWh/a
St –– Holzpellet-WKK 30,7–34,8 kWth
r
Z ä om a
h n
Ha ler sch Größe 12,3–13,6 kWel Strombereitstellung 30–56 MWh/a
us und lus Ho
ve
r te s, lzp –– PV 11–17 kWp
ilu ell
ng etz –– Solarthermie 22–109 m2
u fu min. 10 gCO2-Äq./MJ
h r THG-Emissionen1
max. 12 gCO2-Äq./MJ
Ak
ku
56–145 MWh/a
m Gesamtwärmebedarf
lul
ato
Pu
ffe
Anteil Solarthermie 15–30 % –– Verringerung der Starts und Stopps
r rsp
eic durch weniger Sommerbetrieb
h er
–– HP-WKK inkl. Lager Vorteile –– nahezu vollständig erneuerbar und
1.580–1.450 €/kWth THG-neutral
–– Solarthermie 225–180 €/m2 –– hohe Strombereitstellung
–– PV 900–820 €/kWp
Ve Kosten –– Puffer –– kostenintensives System
rg
as
er
-W 500 L Trinkwarmwasser (TWW) in –– vergleichsweise hohe Komplexität
KK Tr
in
Nachteile
zu kw 2.000 L Heizwarmwasser (HWW) bis –– Emissionsrisiko bei Festbrennstoff-
lei as
tun se 2.000 L TWW in 4.000 L HWW BHKW
Ho g r-
lzp 3.000–4.500 €
e ll
etl
ag
er –– Montage 10.000–16.000 €
Holzpelletvergaser mit BHKW bzw. später Brennstoffzelle in Kombination mit Solarthermie und PV
1
In KWK-Prozessen erfolgte die Aufteilung der THG-Emissionen zwischen den Produkten Wärme und Strom mittels exergetischer
Allokation nach (Thrän et al. 2013).Sie können auch lesen
