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06 | 2018

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Special Energieversorgung Exergie-basierter Vergleich von Nahwärmenetzen Kalte Nahwärme als Zukunftsoption? Nur wenn zukünftig Grenzkraftwerke CO 2 -neutralen Strom bereitstellen, gilt die kalte Nahwärme generell als Zukunftsoption für eine ökologisch sinnvolle Wärmeversorgung von Siedlungen. WÄRMEVERSORGUNG | Im Rahmen eines AGFW-Forschungsprojekts wurde ein konventionelles Nahwärmesystem mit einem kalten Nahwärmesystem und einem dezentralen System verglichen. Das besondere an der Untersuchung ist die Nutzung einer exergie-basierten Betrachtungsweise. Dadurch wird zusätzlich zu energetischen Aspekten auch der Aspekt der Energiequalität berücksichtigt. Die Aussagekraft der Untersuchungsergebnisse gegenüber Ergebnissen aus energie-basierten Untersuchungen ist damit deutlich erhöht. Fazit der Untersuchung ist, dass die kalte Nah - wärme eine ökologisch sehr sinnvolle Option sein kann – allerdings nur, wenn garantiert ist, dass der dadurch entstehende Strommehrbedarf ausschließlich mit erneuerbaren Energien gedeckt wird. In der Fernwärmebranche ist immer öfter der Begriff „kalte Nahwärme“ zu hören. Häufig wird diese als ökologische Zukunftsoption für die Fernwärme kommuniziert. Dabei stellt sich zuerst einmal die Frage, was kalte Nahwärme überhaupt ist. Als kalte Nahwärme werden im Allgemeinen Netze bezeichnet, bei denen der Netzvorlauf eine sehr geringe Temperatur hat. Die Wärmeübergabe an den Verbraucher ist dabei nur mithilfe dezentraler elektrischer Wärmepumpen möglich. Da eine allgemeingültige offizielle Definition bisher nicht existiert, soll an dieser Stelle davon ausgegangen werden, dass die Auslegungsvorlauftemperatur kalter Nahwärmenetze nicht mehr als 30 °C beträgt. Pro und kontra Ein kaltes Nahwärmenetz besitzt gegenüber konventionellen Wärmenetzen folgende Vorteile: > kaum bis keine Leitungswärmeverluste, > hohe Arbeitszahlen der dezentralen Wärmepumpen, > billigere Leitungen, > „freie Kühlung“ im Sommer, bei entsprechenden Heiz-/Kühlflächen in den Gebäuden, > individuelle Anpassbarkeit der Wärmebereitstellung an den Nutzer durch dezentrale Wärmepumpen, > verbesserte Wasserchemie (keine Korrosion, Wasserhärte unproblematisch, Zusätze können wegfallen), > Nutzung nahezu aller möglichen Wärmequellen. Demgegenüber stehen allerdings einige Nachteile: > Notwendigkeit von Wärmepumpen und Flächenheizungen bei jedem Verbraucher, > stark erhöhter Stromverbrauch (Faktor zehn und mehr) gegenüber herkömmlichen Nahwärmenetzen mit Blockheizkraftwerk und Erdgaskessel. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, unter welchen Randbedingungen kalte Nahwärme gegenüber konventionellen Nahwärmenetzen ökologisch und Bild: AdobeStock ökonomisch vorteilhaft ist. Um diese Frage zu beantworten, wurde im Auftrag des Energieeffizienzverbandes für Wärme, Kälte und KWK e. V. (AGFW) eine Untersuchung durchgeführt, die ein konventionelles Nahwärmenetz, ein kaltes Nahwärmenetz und eine dezentrale Versorgungslösung miteinander vergleicht. Die Besonderheit der Untersuchung besteht darin, dass die Analyse auf Basis von Exergie durchgeführt wurde anstatt auf Basis von Energie. Exergie ist eine physikalische Größe, die vereinfacht als Produkt aus Energie und Energiequalität verstanden werden kann. Sie ist somit ein umfassenderes Maß für die physikalische Bewertung als die Energie. Exergie als Analysegrundlage ermöglicht es, alle Energieformen einheitlich und ohne die Notwendigkeit von „Menschen-gemachten“ Festlegungen realistisch zu bewerten. Die Kombination einer exergie-basierten Analyse mit einer Bilanzierung bis zu den speicherbaren, energetischen Primärressourcen erlaubt es, Investitionen mit maximalem Nutzen für Umwelt und Budget zuverlässig zu identifizieren. Auf der Datenbasis real existierender Netze wurde in einem ersten Schritt ein allgemeines Modell eines kalten Nahwärmenetzes entwickelt. Wesentliche Modellannahmen sind: > 10 °C Netzvorlauf in unisolierten Leitungen, > monovalente, dezentrale Wärmepumpen beim Wärmeabnehmer mit Jahresarbeitszahl 4,2, > Wärmeregeneration des Netzes aus der Umgebung, > 3 % Wärmeverluste im Jahresmittel, > 2,6 % Hilfsstromverbrauch. Dieses Netz wurde einem konventionellen Referenznetz mit folgenden Parametern gegenübergestellt: > 75 % der Jahreswärmeleistung: Erdgas- Blockheizkraftwerk (BHKW), > 25 % der Jahreswärmeleistung: Erdgas- Heizkessel, > 12 % Wärmeverluste im Jahresmittel, > 1,5 % Hilfsstromverbrauch. Zusätzlich wurde eine einfache dezen- 12 BWK Bd. 70 (2018) Nr. 6

Energieversorgung Special Bild 1 Ergebnisse eines exergie-basierten Vergleichs von Wärmeversorgungssystemen. Bild 2 Ergebnisse eines exergie-basierten Vergleichs von kalten Nahwärmenetzen in Abhängigkeit von der Stromherkunft. trale Wärmeversorgung modelliert: > 85 % der Jahreswärmeleistung: Erdgas- Brennwertkessel, > 15 % der Jahreswärmeleistung: dezentrale Solarthermie. Diese drei Varianten wurden in einem exergie-basierten Vergleich miteinander in Hinblick auf den Ressourcenverbrauch (Exergie), Treibhausgas (THG)-Emissionen (CO 2 -Äquivalente) und Wärmepreise verglichen (Bild 1). Es ist erkennbar, dass unter den gemachten Annahmen die kalte Nahwärme leichte Vorteile gegenüber dem konventionellen Referenznetz in Hinblick auf Ressourcenverbrauch und THG-Emissionen mit sich bringt. Beide Nahwärmenetze sind ökologisch deutlich vorteilhafter als die dezentrale Variante. Es wird allerdings auch deutlich, dass aktuelle kalte Nahwärmenetze nur durch Förderung mit konventionellen Wärmenetzen oder dezentralen Lösungen konkurrieren können. Aufgrund des für ein Wärmenetz besonders hohen Stromverbrauchs der kalten Nahwärme wurde anschließend untersucht, inwiefern die Festlegung des Ressourcenverbrauchs und der THG-Emissionen für Strom die Bewertungsergebnisse beeinflussen. Generell gilt im deutschen Strommarkt, dass zusätzlicher Strombedarf, wie er durch die Nutzung von Strom für die Wärmeerzeugung entsteht, grundsätzlich aus dem Grenzkraftwerk gedeckt wird. Dieses Grenzkraftwerk war in Deutschland 2016 und 2017 häufig ein Steinkohlekraftwerk. Daher wurde untersucht, welchen Einfluss die Verwendung von Strom aus einem Steinkohlekraftwerk auf die Ergebnisse hat. Der Einfluss der Stromherkunft Als weitere Alternative zur Versorgung des kalten Nahwärmenetzes mit dem deutschen Strommix bietet sich die Versorgung mit Ökostrom an. Bei der Betrachtung von Ökostrom ist zu bedenken, dass durch den Einspeisevorrang erneuerbarer Energien häufig, trotz Versorgung mit marktüblichem Ökostrom, keine oder nur wenige zusätzliche erneuerbare Energieerzeuger in das Stromnetz eingebunden werden. Somit hat die Nutzung von üblichem Ökostrom für die Wärmeerzeugung in vielen Fällen keine nachweislich positivere Auswirkung auf die THG-Emissionen und den Ressourcenverbrauch des deutschen Stromsystems als die Nutzung des Strommixes. Die Nutzung von „erneuerbarem Überschussstrom“ als Ökostrom scheidet mittelfristig aus, da dieser auf absehbare Zeit im deutschen Stromnetz nicht in ausreichender Menge für eine sichere, strombasierte Wärmeversorgung zur Verfügung steht. Kalte Nahwärme kann dennoch mit echtem Ökostrom versorgt werden. Dazu müssten zum Beispiel Windräder oder Photovoltaik (PV)-Anlagen aufgebaut werden, die sich nur durch das kalte Nahwärmenetz rentieren. Dabei müsste die von diesen zusätzlichen Anlagen an das Stromnetz abgegebene Jahresstrommenge ausreichend hoch sein, um die Wärmepumpen im kalten Nahwärmenetz zu versorgen. In Bild 2 wird offensichtlich, dass die Ergebnisse für die kalte Nahwärme insbesondere im Indikator THG-Ausstoß sehr stark von der Art des verwendeten Stromes abhängen. Das heißt, kalte Nahwärme kann wesentlich klimafreundlicher, aber auch wesentlich klimabelastender sein als Wärme aus einem konventionellen Wärmenetz. Vor dem Hintergrund des aktuellen deutschen Strommarktes erscheint kalte Nahwärme ökologisch daher nur attraktiv, wenn sichergestellt ist, dass der verbrauchte Strom zu 100 % aus erneuerbaren Energien stammt. Um dies zu gewährleisten, reicht allerdings der Bezug von üblichem Ökostrom nicht aus. Stattdessen ist sicherzustellen, dass die gesamte vom kalten Nahwärmenetz verwendete Strommenge aus extra dafür gebauten Erneuerbare-Energie-Anlagen kommt. Andernfalls führt der zusätzliche Bedarf, der durch die strombasierte Wärmeversorgung entsteht, zu einem Strommehrbedarf im Netz, der letztlich durch das Grenzkraftwerk, oftmals ein Steinkohlekraftwerk, gedeckt wird. Die Problematik des Einflusses der Stromherkunft auf die ökologische Sinnhaftigkeit des Systems, stellt sich analog auch bei dezentralen Wärmepumpen. Vor dem Hintergrund der vorliegenden Untersuchung muss die Sinnhaftigkeit einer großflächigen Elektrifizierung der Wärmeversorgung vor Erreichung eines 100 % CO 2 -neutralen Stromsystems ernsthaft infrage gestellt werden. Es kann gut sein, dass eine zu frühe Elektrifizierung des deutschen Wärmemarktes in der Praxis zu deutlich höheren THG-Emissionen führt als die verstärkte Nutzung effizienter erdgasbasierter KWK-Systeme. Eine Präsentation mit den vollständigen Annahmen und Hintergründen der Untersuchung kann unter http://bit.ly/ 2FJyctf heruntergeladen werden. i Dr.-Ing. Andrej Jentsch, Geschäftsführer, Richtvert Energiesystemberatung, Münster andrej.jentsch@richtvert.de BWK Bd. 70 (2018) Nr. 6 13

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