Shell hauSWÄRMe-Studie - Nachhaltige Wärmeerzeugung für Wohngebäude Fakten, Trends und Perspektiven - HWWI
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3 Einleitung 6 Shell HausWÄRME-Studie i Nachhaltige Wärmeerzeugung für Wohngebäude Fakten, Trends und Perspektiven Technische Potenziale 10 Heizsysteme Brennstoffe WärmeSchutz Gebäudeeffizienz Shell Deutschland Dr. Jörg Adolf (Projektleiter) Alexander Marczewski Uwe Schabla 12 26 36 42 www.shell.de Prof. Dr. Michael Bräuninger HAuswärmeszenarien bis 2030 / Fundamente 48 Leon Leschus Prof. Dr. Alkis Otto Sebastian Schröer DETERMINANTEN 57 www.hwwi.org Energetische TREIBHAUSGAS- Wohnungsmarkt KOSTEN Modernisierung EMISSiONEN Unter Mitarbeit von: Horst Fehrenbach 58 61 63 65 www.ifeu.de Trend und Trendbeschleunigung 68 Hamburg, November 2011 HAuswärmeszenarien Schnell und umfassend 73 Herausgeber: Shell Deutschland Oil GmbH Bilder: Titel, Seite 3 links, 6, 19, 78: Kess/Sommer Schlussfolgerungen HausWärmeszenarien 78 22284 Hamburg Seite 36: Plainpicture/Johner Gedruckt auf FSC® -zertifiziertem Papier Seite 39: IWO Seite 57: Plainpicture/A. Müller Zusammenfassung der Shell Hauswärme-Studie 82 Seite 73: Plainpicture/Design Pics Gestaltung & Produktion: Mänz Kommunikation Literaturverzeichnis und Weblinks 86
4 Kurzfassung / ABstract 5 Kurzfassung ABSTRACT Shell erstellt und veröffentlicht seit Jahrzehnten Szenarien; zuletzt und Wärmeenergien – sei es innerhalb einer Brennstoffklasse Shell has been preparing and publishing scenarios for decades Thermal insulation of buildings is also becoming increasingly die 25. Ausgabe der Shell Pkw-Szenarien (2009) sowie die Shell oder zwischen ihnen – setzt sich fort. now – most recently the 25th edition of the Shell Passenger Car important. Large proportions of existing housing can be modern- Lkw-Studie (2010). Nun legt Shell – in Zusammenarbeit mit dem Scenarios (2009) and the Shell Freight Vehicle Study (2010). ised to low energy consumption standards, and energy perform- Hamburgischen WeltWirtschaftsInstitut – eine erste Shell Haus- Zudem wird der bauliche Wärmeschutz immer wichtiger. Wäh- Now, in cooperation with the Hamburg International Institute of ance requirements are becoming more and more stringent for wärme-Studie vor. rend große Teile des Wohnungsbestandes durch Wärmedäm- Economics, Shell presents the first Shell Home Heating Study. new buildings. At low energy consumption levels, user behaviour, mung auf Niedrighausstandard gebracht werden können, gibt es and the engagement of users through energy concepts, will gain In Deutschland gibt es heute rund 40 Mio. Wohnungen mit einer immer strengere Gebäudeeffizienzstandards für Neubauten. Bei There are about 40 million homes in Germany today, with total more importance in home heating. Fläche von 3,4 Mrd. m2. Trotz rückläufiger Bevölkerung wird mit sehr niedrigem Energieverbrauch wird das Nutzerverhalten bzw. space of about 3.4 billion square metres. The number of homes einer weiteren Zunahme von Wohnungen und Wohnflächen die Einbindung der Nutzer durch Energiekonzepte für Haus- and the amount of housing space are expected to increase fur- The scenario section starts by analysing structures and trends in gerechnet. Gleichzeitig rückt die häusliche Wärmeversorgung wärme immer wichtiger. ther, despite declining population figures. At the same time, home housing, heating and fuels. It then presents the most important immer stärker in den Fokus von Wohnungs-, Energie- und Klimapo- heating is increasingly becoming a focus of housing, energy and parameters for home heating and building modernisation. litik. Immerhin verbrauchen die Privathaushalte 28,5% der End- Im Szenarien-Teil werden zunächst Strukturen und Trends bei climate action policy. Private households account for 28.5% of energie und verursachen 14,2% aller energiebedingten Treib- Wohnungen, Wärmeerzeugern und Energieträgern untersucht. final energy consumption, causing 14.2% of all energy-related Projections up to 2030 show that the energy efficiency of housing hausgasemissionen – hauptsächlich für Heizwärme. Anschließend werden die wichtigsten Einflussfaktoren auf Haus- greenhouse gas emissions – mainly for space heating. will be improved by demolition of old houses and construction of wärmeversorgung und Gebäudemodernisierung dargestellt. new ones. Despite the increase in housing space, there will be a Leitthema der ersten Shell Hauswärme-Studie ist die nachhaltige The focus of the first Shell home heating study is sustainable heat- decrease in energy consumption and the associated greenhouse Wärmeversorgung privater Haushalte. Zur Abschätzung künftiger Projektionen bis 2030 zeigen, dass sich die energetische Qualität ing for private households. To assess future developments, it starts gas emissions. The necessary additional savings will require mod- Entwicklungen werden zunächst die technologischen Potenziale der Wohnungen über Abriss und Neubau verbessert. Trotz stei- by analysing the technical potentials for home heating. It then ernisation of existing buildings, and that is considered in the vari- bei der Bereitstellung von Hauswärme analysiert. Anschließend gender Wohnfläche kommt es zu einem Rückgang des Energie- explores the sustainability of household heating on the basis of ous scenarios. wird die Nachhaltigkeit der Hauswärmeversorgung mit Hilfe von verbrauchs und der damit verbundenen Treibhausgasemissionen. scenarios. Szenarien erforscht. Für notwendige, darüber hinausgehende Einsparungen sind The goals of the Federal Government cannot be achieved if cur- Sanierungen des Wohnungsbestandes erforderlich. Diese wer- The analysis of technical potentials covers the heating systems in rent modernisation practice is continued unchanged. It will be Die Untersuchung der technischen Potenziale erstreckt sich auf die den in unterschiedlichen Szenarien betrachtet. homes, fuels used, and insulation of the buildings. necessary to step up the speed of modernisation, doubling invest- Wärmetechnik im Gebäude, die verwendeten Brennstoffe sowie ments in this area. Higher proportions of biogenic and renewable den baulichen Wärmeschutz. Mit Fortschreibung der bisherigen Sanierungspraxis können die Modern condensing boilers are extremely energy efficient. Opti- fuels also have considerable potential for greenhouse gas reduc- Ziele der Bundesregierung nicht erreicht werden. Notwendig ist mised gas and oil fired systems will continue to be the main tion, at substantially lower cost compared with building moderni- Heutige Brennwerttechnik ermöglicht eine nahezu optimale eine Erhöhung der Sanierungsrate. Diese erfordert eine Verdop- method of central heating in a large proportion of homes today. sation. Brennstoffausnutzung. In weiten Teilen des Gebäudebestands pelung der Investitionskosten. Weiterhin haben höhere biogene But there are still considerable potentials for modernisation of werden optimierte Gas- und Ölheizungen auch weiterhin das und erneuerbare Brennstoffanteile ein spürbares Potenzial zur heating systems in existing buildings. Programmes for comprehensive modernisation of housing could Rückgrat der Wärmeerzeugung bilden. Allerdings gibt es bei den Treibhausgasreduktion und das bei im Vergleich zu den Sanierun- achieve the greatest reductions in energy consumption and green- Wärmeerzeugern im Bestand noch erhebliche Modernisierungs- gen geringen Kosten. There is a general trend towards multivalent heating technology, house gas emissions. But stepwise modernisation, implementing potenziale. i.e. hybridisation of heating systems; in other words, the heating lower-cost improvements, would reach a wider range of housing Mit umfassenden Sanierungen können die größten Reduktionen systems of the future will make use of several energy sources. The and improve energy performance for more housing space. That Generell zeichnet sich jedoch ein Trend zur multivalenten Wärme- von Energieverbrauch und Treibhausgasen erreicht werden. Mit heart of the system will no longer be just one heat generating would reduce the investment cost per unit of space, and would technik bzw. Hybridisierung von Heizsystemen ab; das heißt, schrittweisen und günstigen Sanierungen wird dagegen eine grö- source, but rather a buffer storage system which coordinates heat make it very much easier to increase the speed of modernisation. mehrere Wärmeerzeuger speisen die Heizanlage der Zukunft. ßere Fläche erreicht. Dadurch sinken die flächenspezifischen generation and heat output. Further savings potentials will be It would have much greater impact on energy efficiency and Das Herzstück der Heizanlage wird nicht mehr ein einziger Wär- Investitionskosten. Somit wäre eine Erhöhung der Sanierungsrate achievable by integrated analysis and optimisation of complete reduction of greenhouse gas emissions than in-depth programmes meerzeuger, sondern ein Pufferspeicher, über den Wärmeerzeu- sehr viel leichter zu realisieren. Diese hat für die Reduktion des heating systems. that reach a smaller proportion of housing. gung und -abgabe abgestimmt werden, sein. Weitere Einsparpo- Energieverbrauchs und der Treibhausgasemissionen eine sehr viel tenziale ergeben sich aus der integrierten Betrachtung und Opti- größere Bedeutung als die Sanierungstiefe. New, alternative energy technologies will gain increasing impor- mierung von ganzen Heizsystemen. tance – such as heat pumps, wood-fired systems, and solar ther- mal heating. The trend towards cleaner, renewable fuels and Zunehmende Bedeutung gewinnen neue und alternative Energie- heating energies will continue, both within fuel categories and technologien – wie Wärmepumpe, Holzfeuerungen oder Solar- between them. thermie. Der Trend zu saubereren und erneuerbaren Brennstoffen
6 Einleitung 7 Wohnen Das Wohnen in einem geschütz- ten Wohnraum gehört zu den Grundbedürfnissen der Mensch- heit. In Deutschland, wo die mitt- Wärme leren Jahrestemperaturen in der Regel unter 10°C liegen und die Hälfte des Jahres – oder gar län- ger – Wohnungen beheizt wer- Energie den müssen, gehört eine warme Unterkunft zu den elementaren Bedürfnissen der Bevölkerung. Private Haushalte machen 28,5% des Endenergieverbrauchs in Deutschland aus. So viel wie Verkehr und Industrie. In Deutschland gibt es heute rund 81,8 Damit liegen die Treibhausgasemissionen Als nächst großer Energieverbraucher und wieder Ergebnisse seiner Szenario-For- Mio. Einwohner und 40,3 Mio. Haushalte. des Hausbrands etwa auf einem Niveau Emittent von Klimagasen gerät deshalb schung veröffentlicht. Als globales Energie- Diese leben in über 40 Mio. Wohnungen mit den Emissionen des verarbeitenden nun der Energieverbrauch privater Haus- unternehmen erstellt und veröffentlicht Shell mit über 178 Mio. Räumen; das bedeutet Gewerbes oder des motorisierten Individu- halte für die Wärmeversorgung in den in regelmäßigen Abständen globale und mehr als zwei Räume und mehr als 40 alverkehrs. Fokus. Ziel der heutigen Energie- und Kli- langfristige Energieszenarien bis 2050.3) Quadratmeter Wohnfläche pro Person. mapolitik ist es, dass Nutzwärme für Wär- Die Wohnfläche aller Wohngebäude in Hauswärme im Fokus mezwecke effizienter erzeugt und bereit- Als führendes Energieunternehmen in Deutschland liegt bei insgesamt 3,4 Mrd. Eine sichere und bezahlbare Energiever- gestellt wird; dass Raumwärmeerzeugung Deutschland befasst sich Shell seit über 50 Quadratmetern; das sind 3.400 Quadrat- sorgung hat bei Wirtschaft, Politik und Ver- sich stärker auf alternative und erneuer- Jahren mit Zukunftstrends im Automobilsek- kilometer und entspricht etwa viermal der brauchern heute eine ebenso hohe Priori- bare Energietechnologien stützt; und dass tor. Bisher sind seit 1958 25 Ausgaben der Fläche von Hamburg oder Berlin. Und tät wie Umwelt- und Klimaschutz. dadurch die Treibhausgasemissionen der Shell Pkw-Szenarien erschienen. Aufgrund trotz inzwischen rückläufiger Bevölke- privaten Haushalte deutlich sinken. Da die der zunehmenden Bedeutung des Stra- rungszahlen steigt die Zahl der Wohnun- Die Bundesregierung und auch die EU finanziellen Mittel auch für den Klima- ßengüterverkehrs im Verkehrswesen hat gen und die Wohnfläche weiter. haben in den vergangenen Jahren umfang- schutz im Wohnungsbereich begrenzt das Interesse am Lkw in den vergangenen reiche Energie- und Klimaprogramme mit sind, gilt es, möglichst ökonomische bzw. Jahren deutlich zugenommen, so dass Ob Wohnzimmer, Schlafzimmer, Küche anspruchsvollen Zielen verabschiedet. ökonomisch effiziente Modernisierungs- Shell im Jahre 2010 erstmals eine Shell oder Bad – fast alle Wohnräume müssen Diese sehen vor, die Treibhausgasemissio- strategien für den Wohnungssektor zu ent- Lkw-Studie für Deutschland vorgestellt beheizt werden – durch Heizungen und nen in der EU sowie in Deutschland im Zeit- wickeln. hat. 4) mit Brennstoffen oder anderen Energieträ- raum 1990 bis 2050 um 80% oder mehr gern. Entsprechend viel Energie beanspru- zu verringern.1) Mit anderen Worten: Die Wärmeversor- Doch Shell betreibt nicht nur Forschung chen die privaten Haushalte heute – gung soll – möglichst rasch – nachhaltiger und Entwicklung im Automobil- und Kraft- 28,5% des Endenergieverbrauchs in Primäre Adressaten der bisherigen Ener- werden. Doch wie, wie schnell und unter stoffsektor. Shell arbeitet ebenso an der Deutschland. Das ist etwa genauso viel, gie- und Klimapolitik waren bislang die welchen Rahmenbedingungen kann dies technischen und wirtschaftlichen Weiter- wie der gesamte Verkehrsbereich oder die Industrie, die Energiewirtschaft – und der geschehen? entwicklung von Wärmeerzeugern und Industrie zuletzt (2010) verbrauchten. Der Verkehrssektor. Industrie und Energiewirt- Brennstoffen – vielfach in Zusammenarbeit wichtigste Anwendungsbereich von End- schaft haben bereits über einen längeren Shell und Szenarien mit den führenden Geräteherstellern und energie im Haushaltssektor ist mit rund Zeitraum signifikante Emissionsreduktionen Ein Instrument, die Zukunft der Wärmever- ihren Zulieferern sowie wissenschaftlichen 85% die Bereitstellung von Raumwärme erbracht; und auch dem Verkehrssektor sorgung privater Haushalte zu untersu- Forschungsinstitutionen. Schließlich ist einschließlich Warmwasser. gelang vor gut 10 Jahren eine Trend- chen, sind Szenarien. Szenarien beinhal- Deutschland – ebenso wie im Automobil- wende. ten keine Prognosen. Szenarien sind in sich bau – der führende Standort für die Ent- Und auch zu den Treibhausgasemissionen konsistente, plausible Entwicklungspfade in wicklung und Produktion von Wärmeer- tragen die privaten Haushalte wesentlich Gleichwohl sind Industrie, Energiewirt- die Zukunft. Sie können helfen, alternative zeugern und Heizanlagen in Europa. Die bei. Denn die Versorgung mit Hauswärme schaft und Verkehr weder allein noch ein- Zukünfte zu erforschen, um so künftige Ent- Bedeutung des deutschen Hauswärme- erfolgt zu rund 90% durch konventionelle zeln in der Lage, die umfangreichen Klima- wicklungen besser zu verstehen sowie Ent- marktes ebenso wie das gestiegene Inter- Energien, insbesondere Erdgas und Heizöl, ziele zu erreichen. Bei weiterer Fortschrei- scheidungsgrundlagen und Zukunftsstrate- esse an einer nachhaltigeren Wärmever- zu geringen Teilen auch noch durch Kohle. bung der heutigen Energie- und Klimapolitik gien zu verbessern.2) sorgung von Wohngebäuden hat Shell Rund 18 Mio. Feuerungsanlagen in Haus- könnten die Treibhausgasemissionen ins- nun veranlasst, eine erste Shell Haus- halten verursachten im Jahre 2010 Treib- gesamt um etwa zwei bis drei Fünftel Shell befasst sich seit Jahrzehnten mit Sze- wärme-Studie zu erstellen. hausgasemissionen in Höhe von 113,1 gesenkt werden – nicht aber um 80% oder nario-Technik. Szenarien werden von Shell Mio. Tonnen CO2-Äquivalent; das waren mehr. nicht nur in der strategischen Unterneh- 3) Vgl. zuletzt Shell International, Shell Energy Scenarios to 2050. An Era of Volatile Transistions, Den Haag 2011 sowie 11,8% aller direkten Treibhausgasemissio- mensplanung eingesetzt. Shell will mit sei- www.shell.com/scenarios nen bzw. 14,2% der direkten energiebe- 1) Vgl. beispw. BMWi/BMU, Energiekonzept für eine umwelt- nen Szenarien auch gesellschaftliche Dis- 4) Vgl. Shell Deutschland, Shell Pkw-Szenarien bis 2030. Fak- schonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversor- ten, Trends und Handlungsoptionen für nachhaltige Auto- dingten Treibhausgasemissionen in gung, Berlin 2010; Europäische Kommission, Mitteilung. kussionen anstoßen und hat deshalb immer Mobilität, Hamburg 2009, www.shell.de/pkwszenarien Deutschland – hauptsächlich Kohlendi- Fahrplan für den Übergang zu einer wettbewerbsfähigen sowie Shell Deutschland, Shell Lkw-Studie. Fakten, Trends CO2 -armen Wirtschaft bis 2050, KOM(2011) 112 endgül- 2) Zur Szenario-Methodik vgl. Shell International, Scenarios: und Perspektiven im Straßengüterverkehr bis 2030, Hamburg oxid. tig, Brüssel, den 8.3.2011. An Explorer’s Guide, Den Haag 2008. 2010, www.shell.de/lkwstudie
8 Einleitung 9 Im zweiten Teil der Studie wird die Nach- lung bzw. Klimatisierung von Räumen Autoren haltigkeit der künftigen Hauswärmeversor- genutzt. Zwar sind Lüftungsanlagen inzwi- Bei der Erstellung der ersten Shell Haus- SHELL LKW-STUDIE gung mit Hilfe von Szenarien erforscht. schen integraler Bestandteil moderner wärme-Studie hat Shell eng mit dem Ham- Shell PKW-Szenarien biS 2030 Fakten, Trends und Handlungsoptionen Fakten, Trends und Perspektiven im Straßengüterverkehr bis 2030 Dazu wird die aktuelle Ausgangslage des Hauskonzepte – vor allem im Neubau. burgischen WeltWirtschaftsInstitut (HWWI) Wohn- und Hauswärmemarktes aufberei- Die Klimatisierung von Gebäuden erfolgt zusammengearbeitet. Das HWWI bear- für nachhaltige Auto-Mobilität E tet und die wichtigsten Determinanten künf- jedoch in Deutschland nach wie vor fast beitet ein breites Spektrum volkswirtschaftli- tiger Entwicklungen skizziert. Anschlie- ausschließlich im Bereich gewerblicher cher Fragestellungen; unter anderem bear- ßend werden im Rahmen eines stilisierten Immobilien. Die Klimatechnik wird in dieser beitet das HWWI die Themenschwerpunkte Shell Deutschland Oil GmbH Modells Entwicklungspfade für Haus- Studie daher nicht weiter untersucht. Immobilienmärkte, Umwelt und Klima sowie wärme bis in das Jahr 2030 prognostiziert. Energie und Rohstoffmärkte. 22284 Hamburg Pkw-Szenarien für Deutschland www.shell.de Lkw-Trends in Deutschland und Europa Weitere Exemplare der Shell Lkw- Pkw-Trends in Österreich und der Schweiz SHELL LKW-STUDIE Studie und der Shell Pkw-Szenarien Dabei werden mehrere Szenarien der Des Weiteren ist die Bilanzierung des bis 2030 zu beziehen bei: e-mail: shellpresse@shell.com Als Download im Internet: www.shell.de/lkwstudie Umschlag_LKW_Studie_2010__150410.indd 1 17.04.10 18:17 energetischen Gebäudemodernisierung Energieeinsatzes und der Treibhausgas- Dem HWWI oblag insbesondere die Ent- berechnet und miteinander verglichen. emissionen abzugrenzen. Eine ressourcen- wicklung, Berechnung und Analyse der ökonomisch adäquate Bilanzierung des Szenarien zur künftigen Entwicklung des Ziele und Leitfragen zen. Daher werden im ersten Teil der Shell Bei der Betrachtung künftiger Wärmever- amtlicher Definition – Gebäude, die über- Energieverbrauchs müsste nach Primär- Hauswärmemarktes im zweiten Teil der Leitthema der ersten Shell Hauswärme- Hauswärme-Studie zunächst die techni- sorgung haben Wohnungsbau-, Energie- wiegend für Nichtwohnzwecke bestimmt energieaufwand erfolgen; denn jede Form Studie. Die wissenschaftliche Leitung lag Studie ist die nachhaltige Wärmeversor- schen Entwicklungspotenziale bei der und Klimapolitik unterschiedliche Ziele und sind; dazu zählen zum Beispiel Büro- und der Energiegewinnung, seien es konventio- hier bei Professor Dr. Michael Bräuninger; gung bzw. -nutzung privater Haushalte für Bereitstellung von Hauswärme ausführlich Beurteilungskriterien vorgegeben. Sie rei- Verwaltungsgebäude, Betriebsgebäude nelle, seien es alternative Energiequellen, die Wohnungsmarktprognosen hat Profes- Wohnzwecke. Ihr Untertitel lautet: Fakten, analysiert und dargestellt. chen vom spezifischen Energiebedarf, wie Fabrikgebäude, Hotels und derglei- ist mit Aufwand verbunden. sor Dr. Alkis Otto erstellt; an der Szenarien- Trends und Perspektiven für eine nachhal- über spezielle Sanierungsraten bis hin zu chen. Modellierung haben Diplom-Volkswirt tige Wärmeversorgung bis 2030. Ebenso Dazu gehört eine Untersuchung der Kom- (fast) klimaneutralen Gebäudeeffizienz- Für den Endverbraucher ist jedoch in erster Diplom-Kaufmann Sebastian Schröer und wie bereits die Shell Pkw-Szenarien und ponenten der Wärmetechnik; das sind die standards. Die eigentlich relevanten ökolo- Über Wohngebäude werden, sowohl was Linie die Übergabe des Brennstoffes oder Diplom-Volkswirt Leon Leschus mitgearbei- die Shell Lkw-Studie soll sie über wichtige Erzeugung von Wärme, ihre Verteilung im gischen Maßstäbe für die Nachhaltigkeit die Bautätigkeit als auch was den Woh- sonstiger Energieträger an das Gebäude tet. Fakten, Trends und Perspektiven informie- Gebäude und ihre Abgabe an den Wohn- der häuslichen Wärmeversorgung sind nungsbestand angeht, detaillierte Statisti- relevant. Hierfür bezahlt er, ihren Ver- ren. raum. Weiterhin werden die technischen jedoch der tatsächliche Energieverbrauch ken über lange Zeiträume geführt. Statisti- brauch kann er kontrollieren. Zudem wird Für die Berechnung der Treibhausgasemis- Potenziale unterschiedlicher bzw. alternati- und die Treibhausgasemissionen des sche Informationen über Nichtwohnge- der Endenergieverbrauch statistisch erfasst sionen in den Szenarien wurden ferner von Dabei galt es, Aussagen über künftige Ent- ver Brennstoffe und Wärmeenergieträger Hauswärmesektors. bäude bzw. sonstige Hochbauten sind und ausgewiesen – ist folglich gut ver- Diplom-Biologe Horst Fehrenbach, Dr. wicklungen auf eine fundierte Abschät- sowie die Gebäudetechnik, insbesondere dagegen weit weniger umfangreich als gleichbar. Untersuchungsgegenstand der Martin Pehnt und Diplom-Ingenieurin zung technologischer Potenziale abzustüt- der bauliche Wärmeschutz betrachtet. Häuser sind ferner die wohl bedeutendste die über Wohngebäude. Immerhin lässt Shell Hauswärme-Studie sind daher Brenn- Regine Vogt vom ifeu Institut für Energie- und teuerste Investitionsentscheidung priva- sich aus der Bautätigkeitsstatistik ableiten, stoffe, das heißt Endenergie- und nicht Pri- und Umweltforschung, Heidelberg spezifi- ter Haushalte. Immobilien haben Lebens- dass Nichtwohngebäude weniger zahl- märenergieträger. sche Treibhausgasemissionsfaktoren in Die wichtigsten Forschungsfragen zu technischen zyklen, die in der Regel über eine mensch- reich als Wohngebäude sind; und dass sie einer Kurzexpertise zusammengestellt; Potenzialen der Hauswärme sind: liche Generation hinausgehen. Und selbst im Durchschnitt deutlich größer sind. Die Bei den Treibhausgasen erfolgt dagegen eine Zusammenfassung der Ergebnisse fin- teilweise baulich-technische Veränderun- Nutzfläche sonstiger Hochbauten wird auf durch Zuweisung der Vorkettenemissionen det sich im Teil 2 der Shell Hauswärme- • Welche technologischen Potenziale stecken (noch) in der heutigen Wärmetech- gen von Wohngebäuden sind meist auf- 2,1 Mrd. Quadratmeter geschätzt. 5) Oft auf die Endenergieträger eine vollständige Studie. nik? Und wie wird dann die Heizung von morgen aussehen? wendig. Da eine energetische Modernisie- besitzen Nichtwohngebäude jedoch nicht Bilanzierung der Treibhausgasemissionen. • Welche Brennstoff- bzw. Energieoptionen stehen der Hauswärme künftig zur Ver- rung des gesamten Wohnungsbestandes einmal eine Heizung. Die folgenden Aus- Die Projektleitung und wissenschaftliche fügung? Wie werden sich Brennstoffe weiter entwickeln? viel Geld kostet, müssen auch die Moder- führungen beziehen sich daher ausschließ- Schließlich sind bei den Kosten der Wär- Arbeit auf Seiten Shell lag bei Dr. Jörg • Welche Trends zeichnen sich im baulichen Wärmeschutz ab? Inwieweit verän- nisierungskosten als zentrales ökonomi- lich auf Wohngebäude. meversorgung Investitions-, Betriebs- und Adolf; Analysen technischer Potenziale dern sich Wohngebäude in den kommenden Jahren? sches Beurteilungs- und Vergleichskriterium Brennstoffkosten zu unterscheiden. Wäh- erfolgten durch Diplom-Wirtschaftsingeni- unterschiedlicher Szenarien und Hand- Energie zur Anwendung im Wohnbereich rend Investitionen in Wärmetechnik und eur Uwe Schabla sowie wirtschaftswissen- • Wohin entwickeln sich Gebäudeeffizienzstandards? Und inwieweit beeinflussen lungsoptionen eingeführt werden. kann unterschiedlichen Zwecken dienen. Wärmeschutz Fixkosten sind, handelt es schaftliche Fragestellungen durch Diplom- sie den tatsächlichen Energieverbrauch? Sie wird zur Wohnraumbeheizung, für die sich bei Betriebs- und Energieträgerkosten Verwaltungswissenschaftler Alexander Warmwasserbereitstellung, zum Kochen, um variable Kosten. Brennstoffkosten stel- Marczewski. Inhalte und Abgrenzungen Kühlen oder Gefrieren oder für die len in der Regel eine wichtige Position bei Die wichtigsten Forschungsfragen der Hauswärme- Schließlich ist der Untersuchungsgegen- Beleuchtung benötigt. Der mit Abstand den Energieausgaben der Haushalte dar. Zusätzlich wurde bei der Erstellung der szenarien lauten: stand häuslicher Wärmeversorgung wichtigste Anwendungszweck ist die Shell Hauswärme-Studie wiederum eine genauer zu bestimmen. Welche Gebäude, Bereitstellung von Wärme zur Beheizung Bei der energetischen Modernisierung von Reihe von Experten und Entscheidungsträ- • Wie werden sich Zahl und Fläche der zu beheizenden Wohngebäude in den welche Anwendungen von Energie wer- von Wohnraum. Daher fokussiert die Stu- Gebäuden dominiert jedoch die Betrach- gern aus Wissenschaft, Unternehmen, Ver- kommenden Jahren entwickeln? den im Folgenden betrachtet und welche die im Folgenden hauptsächlich auf die tung der Investitionskosten. Wenn sich bänden und Politik befragt, denen Shell an • Wie hoch wird der Energieverbrauch für Hauswärme sein? Und wie sieht der nicht? Welche Bilanzierungen von Ener- Bereitstellung häuslicher Wärme – und Märkte alternativer Brennstoffe weiter ent- dieser Stelle seinen Dank ausspricht. Brennstoff-/Energieträgermix der Zukunft aus? gie, Treibhausgasen und Kosten werden daher auch der Name Shell Hauswärme- wickeln, ist zudem mittelfristig mit einer stär- vorgenommen? Studie. keren Korrelation und Koppelung der Eine Auswahl relevanter Daten, Quellen • Wie viele Treibhausgasemissionen werden durch Hauswärme verursacht? Preise aller Brennstoffe und Wärmeener- und nützlicher Web-Links findet sich am • Wie hoch sind die Kosten der energetischen Gebäudemodernisierung? Zunächst ist abzugrenzen zwischen Wohn- Energie wird heute jedoch nicht nur zur gien zu rechnen. Von daher beschränken Ende der Studie. • Und welche Modernisierungsstrategien für Wohngebäude sind ökonomisch am und Nichtwohngebäuden. Wohnge- Wärmeerzeugung, sondern auch zur Küh- sich ökonomische Kosten- und Effizienzbe- günstigsten? bäude sind vollständig oder teilweise für trachtungen im Folgenden auf die Investiti- Weitere Informationen sind im Internet die Wohnversorgung von Haushalten 5) Vgl. Tobias Just, Bauen als Klimaschutz, Deutsche Bank onskosten der Wärmeversorgung. unter folgender URL abrufbar: Research, Aktuelle Themen Nr. 433, Frankfurt/M. 2008, bestimmt. Nichtwohngebäude sind – nach S. 14. www.shell.de/shellhauswaermestudie
10 11 TECHNISCHE POTENZIALE HAUSWÄRME Die Einflussfaktoren auf die Wärmeversorgung von Wohngebäuden sind vielfältig. Zu den wich- tigsten Faktoren gehören Klima- und Witterungsbedingungen, Heiz- und Gebäudetechnik, Brenn- stoffe und Nutzerverhalten. Für eingesetzte Technologien sind die vorherrschenden Klima- und Witterungsbedingungen extern vorgegeben. Nutzerverhalten kann durch Technik zwar beeinflusst werden, bedient sich der Technik aber im Wesentlichen. Eine systematische Untersuchung der wichtigsten Determinan- ten der Wärmeversorgung von Wohngebäuden fokussiert sich daher auf drei Kategorien von 3 4 EinflussgröSSen, welche die Energie- und Umweltbilanz der Wärmeversorgung von Wohngebäu- Neben der Wärmetechnik und den verwendeten Brennstoffen Schließlich legen Wärmetechnik in Kombi- den systematisch und wesentlich bestimmen: Heizsysteme, Brennstoffe und Gebäude. wird der Energieverbrauch und damit die energiebedingten nation mit den verwendeten Energieträ- Emissionen schließlich maßgeblich vom Gebäude selbst und gern und Gebäudetechnik zusammen die den Umgebungsbedingungen an seinem Standort beeinflusst. Gesamtenergieeffizienz eines Gebäudes fest. Hierzu werden die wichtigsten Kenn- Von entscheidender Bedeutung für den Wärmeschutz ist dabei ziffern sowie historische und künftige die thermische Gebäudehülle. In Neubauten kommen heute oft Trends bei energetischen Gebäudestan- energetisch optimierte Bauweisen und Materialien zum Einsatz. dards analysiert und synoptisch darge- Bestandsbauten können bzw. müssen nachgerüstet werden, um stellt. moderne Effizienzstandards zu erreichen. Veränderungen an der Hülle bereits bestehender Gebäude sind jedoch meist mit erheblichen bautechnischen Maßnahmen verbunden. Gleichwohl ist eine energetisch optimierte Gebäudehülle unab- dingbar, um einen niedrigen spezifischen Energieverbrauch zu erreichen. 1 2 Moderne Heizsysteme, die dem jeweiligen Stand der Technik entsprechen, werden vor allem im Neubau verwendet. Die Energie- und Klimabilanz der Wärmeversorgung wird neben der Wärmetechnik weiterhin ganz maßgeblich von Durch Neubau und ggfs. Abriss von Wohngebäuden bestimmen auf lange Sicht die jeweils eingebauten Wärmeer- den eingesetzten Brennstoffen (einschließlich sonstiger Wärmeenergieträger), von ihren (Produkt)-Eigenschaften, ihrer zeuger den künftigen Stand der Heiztechnik. Herkunft und Herstellung bestimmt. Generell übersteigt die Lebensdauer von Gebäuden diejenige von Heizanlagen; die Wärmetechnik eines Gebäudes Im zweiten Kapitel werden daher die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Brennstoffe – und sonstigen Heizener- oder Teile davon werden im Lebenszyklus einer Immobilie oft mehrfach modernisiert bzw. ausgetauscht. gieträger – untersucht und Entwicklungstrends skizziert. Dabei ist Modernisierung von Heizsystemen im Wohnungsbestand in der Regel mit nur geringfügigen baulichen Maß- nahmen verbunden. Umso wichtiger ist es, zunächst zu untersuchen, welchen Stand und welche Ent- wicklungspotenziale heutige sowie künftige Wärmetechnik aufweisen.
12 Technische Potenziale HEIZSYSTEmE 13 1/Wirkungsgrad bezogen auf den Brennwert der BauPGHeizkesselV ist ein Brennwert- kessel ein Heizkessel, der für die Konden- sation eines Großteils des in den Abgasen HEIZSYSTEME 100% enthaltenen Wasserdampfes konstruiert ist. Seit Mitte der 1990 Jahre ist dieser Kessel- typ mit stetig steigendem Anteil im Markt 75% zu finden. Durch die zusätzliche Nutzung der Verdampfungswärme des in den Abgasen enthaltenen Wasserdampfs – auch Latentwärme genannt – müssen Ab Heizkessel und Abgassystem aufgrund der 50% Ab 1995 Kondensatbildung aus korrosionsbeständi- 1980 gen Materialien wie z.B. Edelstahl konstru- Bis 1978 iert werden. Brennwertkessel leiten das umgewandelt bzw. muss erzeugt werden; Wärmeträger übertragen. Wasser ist auf- 25% entstehende Kondensat ohne Vorbehand- Wärmetechnik hierfür werden Wärmeerzeuger einge- grund seiner sehr hohen spezifischen Wär- lung in die Abwasserleitung. Die Brenn- setzt. mekapazität das übliche Medium für die stoffausnutzung ist bei Brennwertkesseln weitere Wärmeübertragung. nahezu optimal bei einem Wirkungsgrad Kernfunktion einer Heizung ist es, Wohn- Es gibt Einzelöfen bzw. -heizungen und von nahe 100% mit der Bezugsgröße 0% räume – vor allem in der kalten Jahreszeit Heizsysteme mit einem Wärmeerzeuger Weitere Möglichkeiten der Wärmeerzeu- Standardkessel Niedertemperaturkessel Brennwertkessel Brennwert. – mit Wärme zu versorgen. Insbesondere und einer zentralen Wärmeversorgung. gung sind die Nutzung von Umweltener- Quelle: BDH (2011); eigene Darstellung soll eine Heizung ein behagliches Raum- Bei Zentralheizungen muss die erzeugte gie etwa durch Wärmepumpen oder – nur Niedertemperaturkessel haben geringere klima schaffen; dabei gelten Empfindungs- Wärme im Gebäude bzw. in der Woh- für Warmwasser oder heizungsunterstüt- Investitionskosten als Brennwertkessel. temperaturen von 20 bis 22 Grad Celsius nung meist über ein Rohrleitungssystem ver- zend – solarthermische Anlagen. Gas- und Ölheizungen Ab Anfang der 1980er Jahre wurde der Demgegenüber haben Brennwertkessel als angenehm. Lüftungs- und Klimatechnik teilt werden (Wärmeverteilung). Die Wär- Eine mit Erdgas oder Heizöl befeuerte Hei- Standardkessel mehr und mehr durch den einen geringeren Brennstoffverbrauch und verfolgt dagegen das weitaus größere meabgabe der Heiz- bzw. Nutzwärme Elektroheizungen wie Nachtspeicheröfen zungsanlage besteht aus einer Kombina- Niedertemperaturkessel verdrängt. Nach damit verbunden geringere Energiekosten. Ziel, den Zustand der Raumluft hinsichtlich erfolgt hauptsächlich über Heizkörper. Ziel erzeugen die Wärme direkt in den Räu- tion von Brenner mit Brennstoffversorgung, der BauPGHeizkesselV ist ein Niedertem- Während im Bestand der Niedertempera- Reinheit, Temperatur und Feuchte zu steu- eines Heizsystems ist es, die Temperatur in men. Bei Fernwärme wird keine Wärme im Kessel, Schornstein und meist einer Rege- peratur-Heizkessel ein Heizkessel, der kon- turkessel dominiert, werden im Neubau ern. Klimaanlagen finden sich in einer Viel- Wohnräumen auf einem behaglichen Haus erzeugt, sondern nur Wärme aus lung. Der folgende Abschnitt liefert einen tinuierlich mit einer Eintrittstemperatur von heute mehrheitlich Brennwertkessel einge- zahl von Industrie- und Bürogebäuden. Im Niveau zu halten. Für eine effiziente Nut- externen Heiz(kraft)werken bezogen. Überblick über die derzeit dominierenden 35 bis 40 Grad Celsius betrieben werden setzt.9) Wohnbereich dominiert jedoch weiterhin zung von Brennstoffen und Wärmeenergie Kesseltypen, der nächste Abschnitt be- kann und in dem es unter bestimmten die einfache Fensterlüftung, auch wenn Lüf- ebenso wie für die Schaffung eines behag- Im Folgenden werden der technische schreibt die Brennertypen. Umständen zur Kondensation des in den Alle diese Heizkessel benötigen ein tungsanlagen zur kontrollierten Be- und lichen Raumklimas müssen alle drei Kom- Stand von heute in Wohngebäuden zum Abgasen enthaltenen Wasserdampfes Abgassystem zum Ableiten der bei der Entlüftung in immer besser gedämmten ponenten eines Heizsystems optimal auf- Einsatz kommenden Wärmeerzeugern Kesseltypen kommen kann. Die Kesseltemperatur von Verbrennung entstehenden Abgase und Gebäuden an Bedeutung gewinnen.6) einander abgestimmt sein. bzw. Wärmelieferanten dargestellt sowie Bis Ende der 70er Jahre dominierte bei Niedertemperaturkesseln liegt zwischen eine Brennstoffversorgung. Die Brennstoff- ihre Entwicklungs- und Einsatzpotenziale den mit Öl und Erdgas befeuerten Heiz- 35 und 75°C und wird in Abhängigkeit versorgung kann entweder ein Anschluss Daher wird im Weiteren unter Wärmetech- Im Folgenden werden technische Optio- untersucht. Zu den wichtigsten Wärmeer- kesseln der Standard- oder Konstanttem- der Außentemperatur der jeweiligen Heiz- an das Erdgasnetz oder bei Öl- und Fest- nik die Gesamtheit aller heiztechnischen nen und Potenziale der Wärmetechnik zeugern gehören: peraturkessel. Nach der Verordnung über last angepasst. Je niedriger die Außentem- stofffeuerungen ein Lagerraum für den Anlagen und Komponenten verstanden, untersucht; Schwerpunkt ist die Wärmeer- das Inverkehrbringen von Heizkesseln und peratur, desto höher die Kesseltemperatur. Brennstoff sein. Brennwertkessel benötigen die der Wärmebereitstellung im Wohnge- zeugung. Anschließend werden Fragen • Erdgas- und Ölheizungen, mit jeweils Geräten nach dem Bauproduktengesetz Aufgrund der der Heizlast angepassten zusätzlich für das Ableiten des entstehen- bäude dienen. Eine moderne Heizungsan- der Wärmeverteilung einschließlich der unterschiedlichen Brennertechnologien (§1 BauPGHeizkesselV) ist ein „Standard- Fahrweise und der gegenüber Standard- den Kondenswassers einen Anschluss an lage besteht wiederum aus drei Kompo- Wärmespeicherung sowie die Wärmeab- und Kesseltypen; heizkessel ein Heizkessel, bei dem die kesseln deutlich verbesserten Wärmedäm- das Abwassersystem. nenten: einem Wärmeerzeuger, einer gabe und die Abstimmung der Komponen- durchschnittliche Betriebstemperatur durch mung, liegen die Verluste von Niedertem- Wärmeverteilung und der Wärmeüberga- ten des Heizsystems aufeinander erörtert. • elektrisch betriebene Heizsysteme seine Auslegung beschränkt sein kann“. peraturkesseln deutlich unter denjenigen Gas- und Öl-Feuerungstechnik be.7) (Nachtspeicheröfen und Wärme- von Standardkesseln. Voraussetzung dafür Gas- und Öl-Feuerungen sind zusammen pumpe); Hierbei handelt es sich um einen aus Guss- ist, dass die Heizungsanlage mit einer mit Heizkesseln wesentlicher Bestandteil Wärme für die Beheizung und Warmwas- WärmeErzeuger oder Stahlgliedern zusammengesetzten geeigneten Regelung ausgestattet ist. von Wärmeversorgungseinrichtungen. Üb- serbereitstellung wird in der Regel nicht • Feststoff-Feuerungen für Holz und Kohle; Kessel, der mit konstant hohen Kessel- und licherweise werden in den Wärmeerzeu- oder kann nicht in der Form bezogen wer- In den meisten Wohngebäuden im deut- damit verbunden hohen Abgastemperatu- Im Bestand dominiert dieser Kesseltyp. Auf gern von Zentralheizungen Erdgas- oder den, in der sie letztendlich im Wohnge- schen Raumwärmemarkt wird Wärme • solarthermische Anlagen (für Warmwas- ren betrieben werden muss, um die Tau- längere Sicht zur Vermeidung von Konden- Heizölfeuerungen eingesetzt. bäude benötigt wird. Wärme wird aus durch eine Zentralheizung bereitgestellt. ser oder heizungsunterstützend); punktunterschreitung der Abgase im Kessel sat und Korrosion im Heizkessel werden unterschiedlichen Energieträgern und Rund vier Fünftel aller Heizsysteme im und im Abgassystem und damit Kondensa- die Abgase nur soweit abgekühlt, dass es Unter den 17,8 Millionen messpflichtigen anderen Energieformen in Wärmeenergie Wohnungsbestand basieren heute auf Ver- • auf dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopp- tion zu vermeiden. Diese Kessel haben in der Heizungsanlage nicht zu einer Tau- Wärmeerzeugern im Bestand (2009) brennungstechnologien. In einem Brenner lung basierende Wärmeerzeuger daher einen sehr schlechten (feuerungs- punktunterschreitung kommt.8) dominieren mit einer Anzahl von 10,6 Mil- 6) Vgl. Recknagel. Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik, wird Wärme durch Verbrennung von (Mikro-KWK-Anlagen und stromerzeu- technischen) Wirkungsgrad (vgl. Abbil- lionen erdgasbefeuerte Heizkessel gefolgt 75. Auflage, München 2011, S. 419 und 927. Brennstoffen erzeugt. Die bei der Verbren- gende Heizungen). dung 1) und sind als Neuanlagen nicht Eine Weiterentwicklung des Niedertempe- von 6 Millionen heizölbefeuerten Heizkes- 7) Vgl. Richtig heizen, Weishaupt (Hrsg.), 4. Aufl., Schwendi, Oktober 2010, S. 48-53; für eine detaillierte Aufgliederung nung entstehende Wärme der Abgase mehr zugelassen. Heutzutage sind nur raturkessels ist der Brennwertkessel. Nach seln. Die Überprüfung von Öl- und Gas- der Bestandteile von Heizungsanlagen vgl. Recknagel. wird dann im Kessel über große Übertra- • ein Wärmeerzeuger, aber dennoch kein noch etwa 6% der Ölheizungen mit einem Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik, a.a.O., S. 533- 8) Vgl. RWE Bau-Handbuch, EW Medien und Kongresse 9) V gl. Handbuch für Heizungstechnik, Buderus Heiztechnik 812. gungsflächen (Wärmetauscher) an einen Wärmelieferant ist die Fernwärme. Konstanttemperaturkessel ausgestattet. GmbH (Hrsg.), 14. Ausgabe, Frankfurt/M. 2010, S. 16/38. GmbH (Hrsg.), 34. Aufl., Berlin 2002, S. 86.
14 Technische Potenziale HEIZSYSTEmE 15 2/Funktionsprinzip eines Brennwertkessels mit Gasgebläsebrenner 3/Funktionsprinzip eines Blaubrenners Verbrennungsluft Vorlauf Zündelektrode Rezirkulationsöffnungen Die Verbrennungsluft wird über ein Gebläse in Kernstück eines Rezirkulationsbrenners ist ein Abgas die Brennkammer des Kessels gefördert und Mischsystem, welches das Gemisch aus Heizöl Ölpumpe Mischrohr vermischt sich dort mit dem Erdgas, wird gezün- und Verbrennungsluft mit einer blauen Flamme ruß- Mischer frei verbrennen lässt, was einen sauberen Brenner Düsenstock Luftblende Äußere det und verbrennt. Die dabei entstehende Brenner Wärme wird an das Kesselwasser übertragen; und Heizkessel zur Folge hat. Diese Technologie Rezirkulation Rücklauf das Abgas wird dabei soweit abgekühlt, dass wird daher auch Blaubrenner genannt. Gaszuleitung Luft- der in ihm enthaltene Wasserdampf konden- Abgas- siert und über den Kondensationsablauf in den Heizöl wird durch die Ölpumpe über die Ölzufuhr Abfluss geleitet wird. Zusätzlich wird die Ver- zum Düsenstock gefördert. Nachdem es dort vor- System brennungsluft im Luft-Abgas-System und Wär- gewärmt wurde, wird es durch eine Düse kegelför- Vorgewärmte meübertrager durch das vorbeiströmende mig zerstäubt. Durch die Luftblende wird die zur Abgas vorgewärmt, was zusätzliche Bildung Verbrennung benötigte Luft um den Heizölkegel Verbrennungsluft gefördert und vermischt sich aufgrund der hohen von Kondensat zur Folge hat. Das warme Kes- selwasser wird in Heizkesseln mit einer witte- Geschwindigkeit. Nach der Zündung durch die Innere Rezirkulation Flammrohr Kesselwasser rungsgeführten Regelung im Mischer auf die Zündelektrode verbrennt das Gemisch. Die in den Wärmeübertrager gewünschte Vorlauftemperatur gemischt und Brenner zurückgeführten (rezirkulierenden) Abgase Kondensatablauf dann im Heizungssystem zu den Heizkörpern lassen die Heizöltemperatur im Brenner stark anstei- verteilt. Das in den Wärmeübertragern abge- gen. Es verdampft und verbrennt rußfrei, d.h. ohne kühlte Wasser wird über den Rücklauf zum Kes- Kohlenstoffausscheidung, mit einer blauen Flamme. Gebläse Ölzufuhr Luft-Abgas-Wärmeübertrager Die rückgeführten ausgebrannten Abgase senken sel gefördert und im Kessel bei Bedarf erneut Quelle: Handbuch der Gebäudetechnik (2009), IWO (2010); eigene Darstellung erwärmt. zusätzlich die Stickoxid-Emissionen. Quelle: Handbuch der Gebäudetechnik (2009), IWO (2010); eigene Darstellung befeuerten Heizkesseln wird in der Verord- schende atmosphärische Brenner angebo- und in der Brennkammer vollständig ver- die Auswahl des Brenners und der dazu- daher deutlich unter denen der Gelbbren- geben sie am Tag über Lüfter mit leich- nung über kleine und mittlere Feuerungsanla- ten, die sich durch deutlich niedrigere brannt wird.11) gehörigen Öl-Düse. Der Brenner muss ner. Demgegenüber dominieren Gelb- ten Bereitstellungsverlusten wieder ab.14) gen (1. Bundesimmissionsschutzverordnung) Stickoxid-Emissionen kennzeichnen. Sie durch seine Einstellungen optimal auf den brenner den Bestand und sind preisgünsti- geregelt. dominieren inzwischen auch im Bestand Bei Wärmeerzeugern großer Leistung wer- Kessel abgestimmt sein. Heutzutage wer- ger in der Anschaffung als Blaubrenner. Elektrische Heizungen benötigen lediglich den Rotationsbrenner eingesetzt. Ein mit den Brenner und Kessel meist als eine Ein- einen Stromanschluss, sind wartungsarm Gasfeuerungen Gasbrenner mit Gebläse ca. 6000 min -1 rotierender Becher sorgt für heit angeboten und betrieben. Die lokalen Schadstoffemissionen wie zum und günstig einzubauen. Dafür sind die Erdgas muss aufgrund seiner physikali- Für größere Leistungen werden vorwie- die Zerstäubung des Heizöls, ehe es sich Beispiel unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Heizkosten höher als zum Beispiel die schen Eigenschaften zur Vermischung mit gend Gasgebläsebrenner verwendet. Sie mit Luft vermischt und anschließend sicher Hochdruckzerstäubungsbrenner Ruß, Stickoxide oder Feinstaub liegen bei Brennstoffkosten einer Gas- oder Ölhei- Verbrennungsluft nicht vorbehandelt wer- gleichen in Aufbau und Funktion den Öl- gezündet und verbrannt wird. Kessel in die- Gelbbrenner Öl- und Gasfeuerungen deutlich unter den zung. Und auch das Raumklima wird nicht den. Zusätzliche Sicherheitseinrichtungen Druckzerstäubungsbrennern/-Gebläse- ser Leistungsklasse findet man jedoch Vollautomatische Hochdruckzerstäubungs- lokalen Emissionen von Feststofffeuerun- selten als weniger angenehm empfunden. wie beispielsweise Druckwächter sind brennern. Die Verbrennungsluft wird ähn- kaum in Ein- und Mehrfamilienhaushalten. brenner sind die am häufigsten vertretenen gen. jedoch notwendig. lich wie bei Ölbrennern durch ein Gebläse Ölbrenner. Heizöl wird unter großem In Deutschland setzen heute (2009) knapp in großen Mengen in die Brennkammer In geringerer Anzahl werden Verdamp- Druck durch eine Düse in kleine Tropfen Elektrische Heizungen zwei Mio. Haushalte auf Strom als Heiz- Im Raumwärmemarkt unterscheidet man gefördert, mischt sich dort mit der benötig- fungsbrenner eingesetzt. Hier wird das zerstäubt, die sich mit über ein Gebläse Ein weiterer wichtiger Wärmeerzeuger mittel; darunter ca. 1,6 Mio. Haushalte mit Gasbrenner mit Gebläse und atmosphäri- ten Menge Gas und wird gezündet. Heizöl in Folge von hohen Oberflächen- und eine Stauscheibe zur besseren sind elektrische Heizungen. Im Gegensatz Nachtspeicherheizungen. Die meisten sche Brenner oder Gasbrenner ohne temperaturen verdampft, ehe es mit Luft Gemischbildung geförderte Verbrennungs- zu Zentralheizungen wird hier die Wärme Stromspeicherheizungen stehen in Miet- Gebläse. Je nach eingesetztem Brenner Am häufigsten im Markt vertreten ist der vermischt und gezündet wird. Diese Tech- luft in der Brennkammer vermischen. Das direkt in den Räumen durch Stromheizun- wohnungen, die vor 1978 errichtet wur- unterscheidet sich auch die Art des ver- Diffusionsbrenner. Eine Weiterentwicklung nologie findet sich vorwiegend in Wär- Luft-Heizöl-Gemisch wird durch Zündelek- gen bereitgestellt. Bei elektrischen Wider- den.15) Der Einbau und die Nutzung von wendeten Kessels.10) der Diffusionsbrenner sind die Premix- oder meerzeugern kleiner Leistung bis zu 15 kW troden gezündet und verbrennt in der standsheizungen wird Strom durch einen Nachtspeicheröfen wurde früher seitens vormischenden Gasgebläsebrenner. Sie in so genannten Einzelraumheiz- oder Brennkammer. Der beim Verbrennen der elektrischen Leiter mit einem Ohmschen Politik und Stromversorgern mit Steuerermä- Atmosphärische Gasbrenner oder kennzeichnen sich durch eine vollständig Ölöfen. kleinen Tropfen verbleibende Restkohlen- Widerstand geleitet. Dabei wird elektri- ßigungen und niedrigen Sondertarifen Gasbrenner ohne Gebläse homogene Vormischung von Erdgas und stoff sorgt dafür, dass die Flamme leuchtet. sche Energie in Wärme umgewandelt. gefördert, um nächtliche Stromlasttäler aus- Bei Heizkesseln mit Gasbrennern ohne Verbrennungsluft und sehr geringe Emissi- In jüngster Zeit verwenden auch moderne Daher werden diese Brenner auch Gelb- Grundsätzlich wird hier zwischen zwei zugleichen. Günstige Nachtstromtarife Gebläse oder atmosphärischen Brennern onswerte. Luft- und Gasmenge können im Brennwertkessel dieses Brennerprinzip, da brenner genannt.12) Heizungstechniken unterschieden:13) werden jedoch immer seltener angeboten. strömt das Erdgas mit hoher Geschwindig- Gegensatz zu atmosphärischen Brennern es eine stufenlose Leistungsmodulation im Aufgrund der geringen energetischen keit aus den Gasdüsen und zieht die Ver- exakt aufeinander abgestimmt werden, kleinen Leistungsbereich ermöglicht. Ihr Blaubrenner • Stromdirektheizungen, die den Strom Gesamteffizienz des Systems Nachtspei- brennungsluft aufgrund der Injektorwirkung was höhere Wirkungsgrade der Anlagen Anteil an allen Ölfeuerungen ist jedoch Sie sind durch eine nahezu vollständige unmittelbar nahezu verlustfrei in Wärme cherofen sieht die aktuelle Energieeinspar- aus der Umgebung mit an. Durch den Ver- ermöglicht. sehr gering und ist in den vergangenen Gemischbildung von Heizöl und Verbren- umwandeln, sobald er durch einen verordnung (2009) zudem ihre schritt- zicht auf drehbare und verschleißempfindli- Jahren stetig zurückgegangen. nungsluft gekennzeichnet. Das durch die Widerstandsdraht geleitet wird; weise Außerbetriebnahme vor – mit aller- che Teile sind sie einfach im Aufbau. Diese Brennertechnologie findet in Brenn- Düse zerstäubte Heizöl verdampft durch dings sehr langen Fristen von 30 Jahren.16) wertkesseln ihren Einsatz, die mittlerweile In für Ein- und Mehrfamilienhäusern typi- im Brenner zurückgeführte Abgase. Die • Speicherheizungen, dazu gehören ins- Atmosphärische Gasbrenner werden in mehr als 50% aller neu abgesetzten Wär- schen Öl-Zentralheizungen werden durch ein Gebläse und eine Blende zuge- besondere Nachtspeicheröfen. Letztere Die Zahl der Nachtspeicheröfen ist ent- speziell geeigneten Kesseln genutzt und meerzeuger ausmachen. nahezu ausschließlich Druckzerstäubungs- führte Verbrennungsluft und das gasför- sind thermisch isoliert, werden nachts sprechend rückläufig – im Jahre 2006 finden seit 1965 Verwendung im kleinen bzw. Gebläsebrenner eingesetzt. Diese mige Heizöl können sich optimal vermi- aufgeladen, speichern Wärmeenergie waren es noch rund 2,2 Mio. Geräte. und mittleren Leistungsbereich. Seit 1992 Ölfeuerungen Technologie hat in allen Leistungsklassen schen und mit einer blauen Flamme nahezu in Steinen (Magnesit) zwischen und 14) Vgl. www.nachtspeicheroefen.com werden als Weiterentwicklung hochvormi- Ölfeuerungen basieren darauf, dass meist die größte Verbreitung gefunden. Die vollständig verbrennen. Die lokalen Schad- 13) Vgl. Günther Frey et al., Energieeffizienzpotenziale durch 15) Vgl. Bundeskartellamt, Heizstrom – Marktüberblick und Ver- vorgewärmtes und durch eine Düse zer- Größe des eingesetzten Kessels bestimmt stoffemissionen von Blaubrennern liegen Ersatz von elektrischem Strom im Raumwärmebereich, Saar- fahren. Bericht, Bonn, September 2010, S. 3-6 sowie Bun- desnetzagentur, Monitoringbericht 2010, Bonn 2010, 10) V gl. Handbuch für Heizungstechnik, a.a.O., S. 117-161 stäubtes Heizöl zusammen mit Luft ver- brücken 2007, S. 10 f. Wärmepumpen werden in der Regel S. 79. sowie Handbuch der Gebäudetechnik, Wolfram Pistohl, 11) Vgl. Handbuch für Heizungstechnik, a.a.O., S. 86-116 auch mit Strom betrieben, erzeugen jedoch keine Wärme, 7. Aufl., Köln 2009, H 150-153. mischt und anschließend sicher gezündet sowie Handbuch der Gebäudetechnik, H 147-149. 12) Vgl. Handbuch für Heizungstechnik, a.a.O., S. 88. sondern verdichten sie. 16) Vgl. § 10a EnEV (2009).
16 Technische Potenziale HEIZSYSTEmE 17 4/WIE FUNKTIONIERT EINE KOMPRESSIONSWÄRMEPUMPE? Bedingungen (Gebäudebestand, niedrige abgegeben wird.21) Durch einen Gas- Einzelfeuerstätten absolute Temperaturen, hoher Temperatur- oder Ölbrenner erzeugte Wärme, die von Einzelfeuerstätten wie offene Kamine, Wärmepumpen basieren auf dem Prinzip von Kältemaschinen. Wärmepumpen machen Umwelt- oder hub) kann die Jahresarbeitszahl jedoch außen zugeführt wird, werden Kälte- und Kamin- oder Kachelöfen werden größten- Umgebungswärme mit einem niedrigen Temperaturniveau über einen thermodynamischen Prozess (Car- KOMPRESSOR auch auf Werte um 2 fallen.19) Lösemittel wieder voneinander getrennt teils mit Scheitholz und in geringerem not) für Heizzwecke nutzbar. und der Prozess beginnt von Neuem. Ther- Umfang mit Holzpellets betrieben. Die In einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert ein Kältemittel. Kältemittel sieden bereits bei niedrigen Umge- Wärmepumpen weisen gegenüber kon- mische Wärmepumpen für den Raumwär- Brennstoffbeschickung erfolgt zumeist von bungstemperaturen. Zunächst geht die Wärme aus einer Wärmequelle in einem Wärmetauscher (Ver- ventionellen Wärmeerzeugern deutlich memarkt befinden sich derzeit noch im Hand. Pro Jahr werden ca. 300.000 bis dampfer) auf das Kältemittel über; das Kältemittel verdampft dabei. VERDICHTEN höhere Investitionskosten auf; das gilt ins- Entwicklungsstadium bzw. in der Marktein- 400.000 Einzelfeuerstätten verkauft. Das nun gasförmige Kältemittel wird von einem elektrisch angetriebenen Verdichter (Kompressor) zusam- VERDAMPFEN besondere für Sole- und Wasser-Wasser- führung. Mittelfristig haben sie das Poten- VERDAMPFER VERFLÜSSIGER VERFLÜSSIGEN mengepresst; dabei erwärmt es sich. In einem zweiten Wärmetauscher (Verflüssiger) kondensiert das ver- dichtete Kältemittel. Es wird wieder flüssig und gibt die Wärme an einen Heizkreislauf oder einen Warm- Wärmepumpen. Dafür sind die Brennstoff- zial, einen signifikanten Beitrag zur zukünf- Zusätzlich zur ausschließlichen Beheizung wasserspeicher ab. kosten von Wärmepumpen geringer, tigen, effizienten Wärmeversorgung beizu- einzelner Räume nimmt in der jüngsten Ver- Anschließend wird das Kältemittel über ein Expansionsventil entspannt; bei niedrigerem Druck sinkt die ENTSPANNEN zumindest solange die Wärmepumpe aus- tragen.22) gangenheit der Anteil von Holzeinzelfeue- Siedetemperatur. Das kalte Kältemittel wird zum Verdampfer geleitet, nimmt dort Wärme auf und verdampft reichend Wärme bereitstellen kann. Die rungen mit Wassertasche zu. Diese kön- dort wieder – der Prozess beginnt aufs Neue. Die strombetriebene Kompressionswärmepumpe ist der Hauptanwendungsfall von Wärmepumpen im privaten Raumwärmesektor. EXPANSIONSVENTIL energetische Bilanz von Wärmepumpen Feststofffeuerungen nen – wie auch Solarthermieanlagen – Quelle: Stiftung Warentest (2007), BWP (2011); eigene Darstellung ist neben ihrer eigenen Effizienz von der In der Nachkriegszeit haben in den alten unterstützend zu einer bestehenden Energiebilanz des Strom erzeugenden Bundesländern und bis zur Wiedervereini- Pumpenwarmwasserheizung eingesetzt Kraftwerksparks einschließlich Netzüber- gung in den neuen Bundesländern mit werden.24) Wärmepumpen • Wasser-Wasser-Wärmepumpen nutzen besysteme, Schallschutz, wasser- und tragungsverlusten abhängig. Braun-, Steinkohle oder Koks befeuerte Seit einigen Jahren gewinnen Wärmepum- in der Regel Grundwasser als Wärme- bodenrechtliche Genehmigungen, etc. Heizungen zusammen mit Holzheizungen Holzzentralheizungen pen als Komplett-Wärmeerzeuger an quelle. Da Grundwasser im Jahresver- Die durchschnittliche Heizleistung heutiger den Raumwärmemarkt dominiert. Feststoff- Bei Holzzentralheizungen dominieren wie Bedeutung. Derzeit 380.000 Haushalte lauf eine nahezu konstante Temperatur Die Effizienz einer Wärmepumpe über Wärmepumpen liegt bei 12 kW. Wärme- heizungen weisen in Bezug auf Emissio- bei Einzelfeuerstätten Stückholzkessel. mit Wärmepumpe. Man unterscheidet von 8 bis 10°C aufweist, kann der volle eine Heizperiode wird – im Gegensatz zu pumpen werden heute vorwiegend im nen, Brennstoffversorgung und bequemer Daneben kommen in den vergangenen Kompressionswärmepumpen und thermi- Wärmebedarf auch am kältesten Tag konventionellen Feuerungen – nicht durch Neubau eingesetzt; bei der energetischen Nutzung des Kessels deutliche Nachteile Jahren zunehmend Pellet- und Hackschnit- sche Wärmepumpen; die folgenden Aus- gedeckt werden. Allerdings erfordert den Wirkungsgrad oder den Nutzungs- Sanierung im Bestand liegt ihr Anteil noch gegenüber öl- und gasbefeuerten Zentral- zelheizungen bzw. so genannte Kombikes- führungen beziehen sich daher hauptsäch- die Erschließung von Wasserquellen grad, sondern durch die Jahresarbeitszahl unter 10%. Die Zahl neu installierter Wär- heizungen auf. Sie wurden deswegen im sel, die unterschiedliche Holzarten ver- lich hierauf. (per Brunnen) Arbeitsaufwand. angegeben.18) Hierbei ist zu unterscheiden mepumpen lag in den letzten Jahren bei Laufe der Jahre meist gegen öl- und erd- brennen können, zum Einsatz. Während zwischen so genannten gemessenen Jah- etwa 50.000 pro Jahr. Dabei erfreuen gasbefeuerte Heizungen ausgetauscht. Stückholzkessel von Hand beschickt wer- Kompressionswärmepumpen • Luft-Wasser-Wärmepumpen ziehen ihre resarbeitszahlen und den nach VDI Richtli- sich Luft-/Wasser-Wärmepumpen zuneh- den müssen, erlauben Holzpellets und Eine Wärmepumpe funktioniert im Prinzip Wärmepumpe in der Regel aus der nie 4650 berechneten normativen Jahres- mender Beliebtheit; erdgekoppelte Sys- Heute ist Kohle als Brennstoff im Raumwär- Hackschnitzel den Einsatz einer automati- wie ein Kühlschrank – nur umgekehrt. Sie Außenluft. Luft-Wasser-Wärmepumpen arbeitszahlen (JAZ), die zur Berechnung teme bestritten zuletzt (2010) nur noch memarkt kaum mehr vorhanden. Zuneh- schen Brennstoffversorgung – bei Pellets entnimmt der Umwelt Wärme und hebt, sind aufgrund der nicht notwendigen der Förderung nach dem Marktanreizpro- knapp die Hälfte des Wärmepumpenab- mender Beliebtheit erfreut sich in den letz- oder Hackschnitzeln zumeist mit einer man kann auch sagen „pumpt“, deren Tem- Erdkollektoren wie Sole-Wasser-Wär- gramm (MAP) benötigt werden. Die Jah- satzes. Der Wärmepumpenbestand in ten Jahren dagegen die Holzheizung. Schnecke oder bei Pellets mit einem peratur auf ein Niveau, das für eine Haus- mepumpen einfach konstruiert und kos- resarbeitszahl errechnet sich aus dem Ver- Deutschland wird auf zur Zeit (2010) Gebläse. heizung erforderlich ist. Dazu benötigt die tengünstig, haben jedoch einen gravie- hältnis von abgegebener Wärme zu zuge- 380.000 Heizsysteme geschätzt.20) Festbrennstoffkessel werden ausschließlich Wärmepumpe Antriebsenergie; dies ist in renden Nachteil: Je kälter es ist, desto führter Antriebsenergie (für Verdichter, für die Verbrennung von festen Brennstof- • Scheit- oder Stückholzkessel: Man unter- der Regel Strom. Der Temperaturhub kann geringer ist die Heizleistung. Bei sehr Pumpe und Regelung). Je höher die Jahres- Thermische Wärmepumpen fen hergestellt. War in den 1960er und scheidet Durch- oder Oberbrandkessel jedoch auch mit Hilfe gas- oder ölbefeuer- niedrigen Außentemperaturen und gerin- arbeitszahl, desto effizienter ist die Wär- Derzeit in sehr geringer Anzahl werden 1970er Jahren bei den so genannten und Scheitholzvergaserkessel. Wäh- ter Verbrennungsmotoren erfolgen. Darü- ger Anschlussleistung kann daher eine mepumpe. neben Kompressionswärmepumpen ther- Umstellbrandkesseln auch die Nutzung rend bei ersteren das Holz nach oben ber hinaus können (reversible) Wärmepum- zusätzliche Heizquelle erforderlich sein. mische Wärmepumpen eingesetzt. Thermi- flüssiger und gasförmiger Brennstoffe mög- abbrennt, nutzen letzere das Prinzip der pen auch zur aktiven Kühlung eingesetzt Die monatliche Arbeitszahl kann schwan- sche Wärmepumpen bestehen aus einem lich, ist diese heute aufgrund der verschärf- Umkehrflamme, auch unterer Abbrand werden. Lüftung und Kühlung sind jedoch Entscheidend für die Effizienz einer Wär- ken und ist stark vom Temperaturhub sowie geschlossenen System mit einem Stoffge- ten Anforderungen an die Emissionen für genannt. Durch ein Gebläse wird die nicht Inhalt dieser Studie.17) mepumpe ist der Temperaturhub; das ist Art und Anteilen der Wärmesenken (Hei- misch aus einem Kälte- und einem Lösemit- mit flüssigen oder gasförmigen Brennstof- Flamme nach unten gerichtet, Vergasung die Temperaturdifferenz zwischen Wärme- zung/Warmwasser) abhängig. Wärme- tel. Je nach Lösemittel unterscheidet man fen betriebenen Heizkessel nicht mehr und Verbrennung des Holzes werden Wärmepumpen sind nach ihrer Wärme- quelle und Wärmesenke (Heizung/ pumpen für neue Wohngebäude erzielen das Absorptionsprinzip (flüssiges Lösemit- möglich. Wurden früher als feste Brenn- räumlich voneinander getrennt. Opti- quelle zu unterscheiden: Sie können Warmwasser). Günstig sind Wärmequel- im Feld mittlere Jahresarbeitszahlen von tel, zum Beispiel Ammoniak) und das stoffe Kohle, Koks und Holz genutzt, so male Verbrennung heißt weniger Holz- Wärme aus dem Erdreich, aus der Luft len, die auch im Winter möglichst hohe etwa 3 bis 4 – das heißt, aus einer Kilo- Adsorptionsprinzip (festes Lösemittel, zum werden heute nahezu ausschließlich Holz- verbrauch, weniger Schadstoffe und oder aus dem Wasser beziehen. Temperaturen aufweisen (Boden/Grund- wattstunde Strom werden 3 bis 4 kWh Beispiel Zeolith). Das Kältemittel verdampft Spezialkessel vertrieben.23) geringerer Ascheanfall.25) Moderne wasser), und Heizungssysteme, die mit Wärme erzeugt. in beiden Systemen unter Aufnahme von Stückholzvergaserkessel können in ihrer • Sole-Wasser-Wärmepumpen nutzen niedrigen Temperaturen arbeiten – zum Umweltwärme und wird vom Lösemittel Grundsätzlich ist zu unterscheiden zwi- Leistung moduliert werden. Stückholz- Erdwärme. Hier zirkuliert eine frostsi- Beispiel Fußbodenheizungen. Luft-Wasser-Wärmepumpen weisen mit absorbiert. So entsteht Wärme, die über schen Einzelfeuerungen, die nur den sie kessel laufen jedoch nicht kontinuierlich chere Sole (Glykol-Lösung) in Erdson- 2,9 die geringsten Jahresarbeitszahlen auf, einen Wärmetauscher an das Heizsystem umgebenden Raum beheizen, und Holz- den ganzen Tag. Für Stückholzkessel den oder Erdkollektoren – daher auch Ist der Temperaturunterschied zwischen Sole- bzw. Erdreich-Wasser-Wärmepum- zentralheizungen, die zugleich Wärme sind daher ausreichend bemessene Puf- der Name erdnahe Geothermie. Hierzu Wärmequelle und Heizung groß, steigt pen mit 3,9 die besten. Unter ungünstigen und Warmwasser über einen Pufferspei- ferspeicher vorzusehen, die überschüs- bedarf es geeigneter Böden und Flä- der Stromverbrauch – die Wärmepumpe 19) Vgl. ISE Fraunhofer, Feldmessung Wärmepumpen im cher bereitstellen. sige Wärme aufnehmen können. Nach Gebäudebestand. Kurzfassung zum Abschlussbericht, Frei- chen. Die Leistung der Wärmepumpe arbeitet ineffizienter, gegebenenfalls ist ein burg 2010, S. 4-8 sowie dass., Wärmepumpen Effizienz. der 1. BImSchV ist ein Puffervolumen von 18) Von der Jahresarbeitszahl ist die Leistungszahl COP (coef- hängt unter anderem von Tiefe und bivalenter Betrieb angezeigt. Zudem ist ficient of performance) zu unterscheiden. Während letztere Messtechnische Untersuchung von Wärmepumpenanla- die Effizienz einer Wärmepumpe in einem definierten gen zur Analyse und Bewertung der Effizienz im realen Größe der Sonden bzw. Kollektoren ab. der Einbau von Wärmepumpen an weitere Betriebspunkt auf dem Prüfstand angibt, gibt die Jahresar- Betrieb, Freiburg 2011, S. 4. 21) Vgl. Handbuch für Heizungstechnik, a.a.O., S. 380. 24) Vgl. FNR, Heizen mit Holz. Technik. Brennstoff. Förderung, 22) Zu aktuellen Technologie-Initiativen für Gas- und Öl-Wär- Gülzow 2011, www.fnr.de Bedingungen gebunden: zum Beispiel beitszahl Auskunft über die tatsächliche Effizienz einer Wär- 20)Vgl. BWP, Wärmepumpen-Absatzzahlen für 2010: Der mepumpen vgl. www.igwp.de sowie www.iwo.de 17)Vgl. BWP, Heizen mit Wärmepumpe – klimafreundlich, mepumpenanlage im Jahresverlauf einschließlich Verlusten Markt konsolidiert sich, Presseinformation, Berlin, 27. Januar 25) Vgl. FNR, Scheitholzvergaser-/Kombikessel. Marktüber- zukunftssicher, wartungsarm, Berlin, Februar 2011. Dämmstandard, Platz für Wärmeüberga- und Nebenantrieben. 2011. 23) Vgl. Handbuch für Heizungstechnik, a.a.O., S. 221 ff. sicht, Gülzow 2010, S. 9-26, www.fnr.de
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