Zukünftige Entwicklung der Primärenergiefaktoren des ... · Bert Oschatz PE-Faktor Fernwärme HH...

Institut für Technische

Gebäudeausrüstung Dresden

Forschung und Anwendung GmbH

Prof. Dr.-Ing. Bert Oschatz

Energienetzbeirat bei der Behörde für Umwelt und Energie

Hamburg, 30.06.2017

Zukünftige Entwicklung der

Primärenergiefaktoren des

Hamburger Fernwärmenetzes

Prof. Dr.-Ing. Bert Oschatz PE-Faktor Fernwärme HH ENB Hamburg 30.06.2017 2

Inhalt

Bedeutung und Festlegung von PE-Faktoren

Randbedingungen Abschätzung Status quo

Primärenergiefaktoren bei zukünftig möglichen Bewertungsansätzen

für Wärmenetze

Veranschaulichung Ergebnisse, Diskussion


Hauptanforderungsgröße EnEV: Primärenergiebedarf

Jahres-Primärenergiebedarf QP

Energiemenge (Heizung, WW-Bereitung, Lüftung und Kühlung)

unter Einbeziehung der vorgelagerten Prozesskette außerhalb des Gebäudes

Gewinnung Umwandlung Transport

Primärenergiefaktor fP


Bedeutung der Primärenergiefaktoren PEF

Primärenergiefaktor in der Energieeinsparverordnung:

– Größter Einflussfaktor auf die energetische Bewertung im

Neubau

– Beeinflussung der EnEV-Erfüllungsmöglichkeiten im Neubau

Primärenergiebedarf QP als Anforderungsgröße für KfW-

Effizienzhäuser im Neubau und Bestand, damit PE-Faktor

– Wichtiger Einflussfaktor für das Erreichen der KfW-

Standards KfW-Förderung

Zukünftig geplant: Übertragung der Effizienzklassen der EnEV auf

Primärenergie

Kenngröße zur Bewertung der Anlagentechnik im

Sanierungsfahrplan und für zukünftige Anforderungen im

Bestand


Rolle der Primärenergiefaktoren PEF

Primärenergiefaktor ist zentrale Einflussgröße in

umfangreichen Normen zur Bestimmung der Primärenergie!

Einfluss z.B. deutlich größer als baulicher Wärmeschutz

PEF ist (umwelt-)politische Steuerungsgröße für

– Auswahl Energieträger und Heizungssystem

– Wettbewerb zwischen Systemlösungen

– Wirtschaftlichkeit aus Sicht von Bauherren/Investoren

Grundprinzip:

je kleiner der PE-Faktor bei Fernwärme, desto einfacher lassen sich

die Anforderungen erfüllen -> Einsparung von Investitionen beim

baulichen Wärmeschutz

Aber: kein direkter Zusammenhang zwischen PEF und Kosten der

Fernwärme


Festlegung der Primärenergiefaktoren

DIN-Normen (DIN V 18599, DIN V 4701-10) auf Basis Gemis

Teilweise direkte Festlegungen in der EnEV

Berechnung der PEF für Wärmenetze nach AGFW-Arbeitsblatt FW

309-1


Unzureichende Korrelation Primärenergie und Kohlenstoffintensität

– Fossile Endenergieträger (Erdgas, Heizöl und Kohle)

– Strom: zunehmende Diskrepanz zwischen fP und CO2 für mehrere

Dekaden

– Heutiger Wert vermutlich bereits

für Status Quo zu niedrig angesetzt,

bei Prognose Anteil der Kohle

unterschätzt, Grenzkraftwerkseffekte

unterschätzt

– Verdrängungsstrommix für KWK-Bewertung: logisch inkonsistent

– KWK:

• Stromgutschriftmethode nach FW 309 Teil 1 führt zu sehr niedrigen

fP und mangelnder Berücksichtigung der Klimawirkung

• Carnot-/Stromverlustverfahren nach FW 309 Teil 6 hingegen führt

zu deutlich höheren Werten

-> PE-Faktoren müssen und werden überarbeitet

Kritik an aktuellen Primärenergiefaktoren


Randbedingungen Status quo Fernwärme HH

Primärenergiefaktoren und Treibhausgasemissionen

Energieträger Primärenergiefaktor Quelle CO2-Äquivalent

[g/kWhEnd,HI]

Quelle

nicht

erneuerbar

erneuerbar

Erdgas 1,1 0,0 DIN V 18599-1 242 ifeu, ITG u. a.:

Weiterentwicklung

Primärenergiefaktoren […],

2016

Steinkohle 1,1 0,0 DIN V 18599-1 419

Abfall 0,0 1,0 Annahme, vgl.

auch BMVBS

12/2012 (fP,ne ≈

0,03)

350 Öko-Institut: Der Beitrag der

thermischen

Abfallbehandlung […], 2002

Elektro-

energie

allgemeiner

Strommix 1,8 1,0 EnEV 526 ifeu, ITG u. a.:

Weiterentwicklung

Primärenergiefaktoren […],

2016 Verdrängungs-

strommix 2,8 0,0 DIN V 18599-1 840 (2014)



Orientierung am vorliegenden fP-Gutachten und der BET-

Veröffentlichung zum Kohlekraftwerk Wedel



wesentliche Angaben zu Wärmenetz und Erzeugerpark liegen nicht

vor

– Effizienzkennwerte und energetische Deckungsanteile der

KWK-Anlagen und Wärmeerzeuger

– Hilfsenergiebedarf und Wärmeverluste des Netzes

→ geschätzte Randbedingungen mit Unsicherheiten behaftet –

Ergebnisse des fP-Zertifikats könnten mit nahezu beliebig vielen

unterschiedlichen Wertekombinationen der wesentlichen Anlagen-

/Betriebsparameter berechnet werden

→ Ergebnisse verdeutlichen in erster Linie Tendenzen bei einer

Umstellung der Bewertung von Nah-/Fernwärme



Verluste, Deckungsanteile und Effizienzkennwerte angepasst, um

Ergebnisse des fP-Zertifikats zu erreichen

Wärmelieferung HAST MWh 3.350.000 BET

Hilfsenergie* - 7%** Schätzung

MWh 234.500

Wärmeverluste - 15%** Schätzung

MWh 502.500

Wärmeabgabe Erzeugerpark MWh 3.852.500 * Elektroenergieverbrauch Umwälzpumpen/Druckhaltung bei Elektroenergieverbrauch

Wärmenetz berücksichtigt; Energieeintrag in Heizmedium vernachlässigt

** bezogen auf Gesamtwärmeliefermenge an HAST



Verluste, Deckungsanteile und Effizienzkennwerte angepasst, um

Ergebnisse des fP-Zertifikats zu erreichen

Erzeuger Energie-

träger

Typ Leistung

[MW]

Deckungs-

anteil

Schätzung

Nutzungsgrad

Schätzung --- --- --- --- --- BET --- --- --- --- --- thermisch elektrisch Σ

Kohlekraftwerke** Steinkohle KWK 725 61,6%* 40% 28% 68%

Abfallkraftwerk Abfall KWK 105 13,8%* 40% 17% 57%

Gas-GuD Erdgas KWK 140 15,0%* 35% 50% 85%

Gaskessel** Erdgas Heizwerk 750 9,0% 85% 0% 85%

E-Kessel Strom Heizwerk 40 0,6% 100% 0% 100%

* fP-Zertifikat: κth,erneu = 13,8 % κKh,KWK = 90,4 %

** mittlere Werte über alle Erzeuger desselben Typs


Endenergiebilanz

Steinkohle

Erzeugerpark

Abfall

Erdgas

Wärme-kunden

KoKW

AbfKW

GuD

KWK

Gaskessel

E-kessel

Wärme

Stromnetz

Verteilnetz


Endenergiebilanz (Hi) – Berechnungsbeispiel

Steinkohle

Erzeugerpark

Abfall

Erdgas

Wärme-kunden

KoKW

AbfKW

GuD

KWK

Gaskessel

E-kessel

Wärme

Stromnetz

3.350.000

407.912

1.329.113

5.932.850

← 2.455.068 ←

3.852.500

Verteilnetz

234.500

1.651.071

3.482.66

23.115

2.712.68

369.840


Primärenergiebilanz

𝑓𝑃,𝑊ä𝑟𝑚𝑒𝑛𝑒𝑡𝑧 = 𝑄𝑖 ∗ 𝑓𝑃,𝑖𝑖

𝑄𝐻𝐴𝑆𝑇

Energieströme der Energieträger in den oder aus dem Erzeugerpark, unter

Berücksichtigung der Richtung: Bezug „+“, Überschuss „-“

Gesamtwärmeabgabe des Wärmenetzes,

Bilanzgrenze Hausanschluss/Wärmekunde


Primärenergiebilanz – Berechnungsbeispiele

1. Status quo: Bilanzierung gemäß derzeit geltendem Regelwerk – bei

Einspeisung Gutschrift mit Verdrängungsmix-fP

2. Bewertung der KWK-Anlagen nach Exergiemethode: fP der

Einspeisung abhängig von KWK-Parametern (AGFW FW 309-6)

3. Wichtung der fP nach Treibhauspotenzial zusammen mit

a) Verdrängungsmix

b) KWK-Allokation nach Exergiemethode analog Beispiel 2

4. Einbeziehung erneuerbarer Primärenergieanteile zusammen mit

a) Verdrängungsmix



Berechnungsbeispiel 1

Status quo: Gutschrift mit Verdrängungsmix

Bilanzierung gemäß derzeit geltendem Regelwerk mit fixem

Verdrängungsmix-fP von 2,8 für Einspeisung in Verbundnetz

Wärme-

abgabe

Endenergie-

verbrauch HI

Primären-

ergiefaktor

Primär-

energie

MWh MWh - MWh

Brennstoffe Steinkohle (KWK) - 5.932.850 1,1 6.526.135

Abfall (KWK) - 1.329.113 0 0

Erdgas (KWK+Wärme) - 2.058.983 1,1 2.264.882

Strombilanz Strom Heizen - 23.115 - -

Hilfsenergie - 234.500 - -

Stromproduktion KWK - -2.712.683 - -

Σ - -2.455.068 2,8 -6.874.190

Gesamt 3.350.000 - 0,57 1.916.827 (HAST) (Versorgung

Wärmenetz)


Berechnungsbeispiel 2

KWK-Bewertung nach Exergie-/Carnotmethode

Bilanzierung KWK nach Exergiemethode (AGFW FW 309-6),

beispielhaft für:

– Wärmeeinspeisung KWK VL/RL = 130/70 °C und

– Umgebungstemperatur θ = 8 °C

Wärme-

abgabe

Endenergie-

verbrauch HI

Primären-

ergiefaktor

Primär-

energie

MWh MWh - MWh


Abfall (KWK) - 1.329.113 0 0

Erdgas (KWK+Wärme) - 2.058.983 1,1 2.264.882




Σ - -2.455.068 2,34 -5.743.949


Wärmenetz)


Diskussion Berechnungsbeispiel 2

KWK-Bewertung nach Exergie-/Carnotmethode

Bilanzierung KWK nach Exergiemethode (AGFW FW 309-6)

wesentliche Einflussgrößen/Unsicherheiten:

– genaue Ausgestaltung des Berechnungsverfahrens: u. a.

Vorgehen bei Kombination mehrerer KWK-Systeme

(Definitionslücken/Interpretationsspielraum in derzeitiger

Fassung FW 309-6)

– Temperaturniveau der KWK-Wärmeeinkopplung, sofern keine

Planungs-/Messwerte vorliegen

→ Verschiebung von Primärenergieaufwand von KWK-Strom zu

KWK-Wärme, daher geringere Primärenergiegutschrift für

Stromüberschuss (Einspeisung)

→ moderat bis deutlich höherer Primärenergiefaktor der Nah-

/Fernwärme abhängig von KWK-Parametern und elektrischem

Nutzungsgrad


Berechnungsbeispiel 3a

THG-gewichtete fP zusammen mit Verdrängungsmix

modifizierte Primärenergiefaktoren nach

𝑓𝑃,𝑒𝑟𝑤𝑒𝑖𝑡𝑒𝑟𝑡 = 1 − 𝑋𝐶𝑂2ä𝑞 ∗ 𝑓𝑃.𝑛𝑒,𝑖 + 𝑋𝐶𝑂2ä𝑞 ∗ 𝑓𝑃,𝑛𝑒,𝐸𝑟𝑑𝑔𝑎𝑠 ∗𝑒𝐶𝑂2ä𝑞,𝑖

𝑒𝐶𝑂2,ä𝑞,𝐸𝑟𝑑𝑔𝑎𝑠,

beispielhaft für XCO2äq = 0,5

Wärme-

abgabe

Endenergie-

verbrauch HI

Primären-

ergiefaktor

Primär-

energie

MWh MWh - MWh


Abfall (KWK) - 1.329.113 0,8 1.063.290

Erdgas (KWK+Wärme) - 2.058.983 1,1 2.264.882




Σ - -2.455.068 3,31 -8.126.275


Wärmenetz)


Berechnungsbeispiel 3b

THG-gewichtete fP zusammen mit Exergiemethode

modifizierte Primärenergiefaktoren wie Beispiel 3a

KWK-Bewertung mit Exergiemethode (wie Beispiel 2)

Wärme-

abgabe

Endenergie-

verbrauch HI

Primären-

ergiefaktor

Primär-

energie

MWh MWh - MWh


Abfall (KWK) - 1.329.113 0,8 1.063.290

Erdgas (KWK+Wärme) - 2.058.983 1,1 2.264.882




Σ - -2.455.068 3,30 -8.100.719


Wärmenetz)



THG-gewichtete fP

modifizierte Primärenergiefaktoren nach

𝑓𝑃,𝑒𝑟𝑤𝑒𝑖𝑡𝑒𝑟𝑡 = 1 − 𝑋𝐶𝑂2ä𝑞 ∗ 𝑓𝑃.𝑛𝑒,𝑖 + 𝑋𝐶𝑂2ä𝑞 ∗ 𝑓𝑃,𝑛𝑒,𝐸𝑟𝑑𝑔𝑎𝑠 ∗𝑒𝐶𝑂2ä𝑞,𝑖

𝑒𝐶𝑂2,ä𝑞,𝐸𝑟𝑑𝑔𝑎𝑠


– THG-Gewichtsfaktor XCO2äq, hier beispielhaft 0,5

– zukünftige Bewertung von KWK-Strom/-Wärme, hier beispielhaft

• mit Verdrängungsmix-fP von 2,8 und 840 gCO2äq/kWhEnd,HI (a)

bzw.

• exergetischer KWK-Allokation VL/RLKWK-Wärme = 130/70 °C,

θUmgebung = 8 °C (b)

Ergebnisse beider Allokationsmethoden hier nur zufällig fast identisch

→ ungünstigere Bewertung von Brennstoffen mit höherem

Treibhauspotenzial

→ deutlich höherer Primärenergiefaktor der Nah-/Fernwärme bei

hohem Kohleanteil


Berechnungsbeispiel 4a

Einbeziehung erneuerbarer Anteil mit Verdrängungsmix

modifizierte Primärenergiefaktoren nach 𝑓𝑃 = 𝑓𝑃.𝑛𝑒 + 𝑋𝐸𝐸 ∗ 𝑓𝑃,𝑒,

beispielhaft für XEE = 0,4

Wärme-

abgabe

Endenergie-

verbrauch HI

Primären-

ergiefaktor

Primär-

energie

MWh MWh - MWh


Abfall (KWK) - 1.329.113 0,4 531.645

Erdgas (KWK+Wärme) - 2.058.983 1,1 2.264.882




Σ - -2.455.068 2,8 -6.874.190


Wärmenetz)


Berechnungsbeispiel 4b

Einbeziehung erneuerbarer Anteil mit Exergiemethode

modifizierte Primärenergiefaktoren wie Beispiel 4a

KWK-Bewertung mit Exergiemethode (wie Beispiel 2)

Wärme-

abgabe

Endenergie-

verbrauch HI

Primären-

ergiefaktor

Primär-

energie

MWh MWh - MWh


Abfall (KWK) - 1.329.113 0,4 531.645

Erdgas (KWK+Wärme) - 2.058.983 1,1 2.264.882




Σ - -2.455.068 2,49 -6.110.004


Wärmenetz)



Einbeziehung erneuerbarer Anteil

modifizierte Primärenergiefaktoren nach 𝑓𝑃 = 𝑓𝑃.𝑛𝑒 + 𝑋𝐸𝐸 ∗ 𝑓𝑃,𝑒


– EE-Gewichtsfaktor XEE, hier beispielhaft 0,4

– zukünftige Bewertung von KWK-Strom/-Wärme, hier beispielhaft

• mit Verdrängungsmix-fP von 2,8 (a) bzw.

• exergetischer KWK-Allokation VL/RLKWK-Wärme = 130/70 °C,

θUmgebung = 8 °C (b)

→ ungünstigere Bewertung von Brennstoffen mit erneuerbarem

Primärenergieanteil

→ höherer Primärenergiefaktor der Nah-/Fernwärme aus EE


Gegenüberstellung der PE-Faktoren

bei unterschiedlichen Bewertungsansätzen

Berechnungsbeispiel, Bilanzierungsansatz Primärenergiefaktor Fernwärme

1 Status quo: fester Verdrängungsmix-fP = 2,8 0,57

2 KWK-Allokation nach Exergiemethode 0,91

3a THG-gewichtete fP mit Verdrängungsmix 1,22

3b THG-gewichtete fP mit Exergiemethode 1,23

4a EE-gewichtete fP mit Verdrängungsmix 0,73

4b EE-gewichtete fP mit Exergiemethode 0,96


1,10 1,10

0,57

0,70

0,90

1,20

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

Gas-BW-Gerät+ solare TWE / HeizU

+ Abluftanlage

Gas-BW-Gerät+ solare TWE

+ Zu-/Abluftanlage

Nah-/Fernwärme+ Abluftanlage




Prim

ären

ergi

ebed

arf i

n kW

h/m

²a

zulässiger Primärenergiebedarf

des Beispielgebäudes nach

EnEV 2016

Auswirkungen unterschiedlicher PE-Faktoren im Vergleich

mit Wärmeversorgung durch Gas-Brennwert 6-Familienhaus Neubau, typischer baulicher Wärmeschutz


1,10

1,10

0,57

0,70

0,90

1,20

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

Gas-BW-Gerät Gas-BW-Gerät+ solare TWE

Nah-/Fernwärme+ Wohnungsstationen




Prim

ären

ergi

ebed

arf i

n kW

h/m

²a

Auswirkungen unterschiedlicher PE-Faktoren im Vergleich

mit Wärmeversorgung durch Gas-Brennwert 6-Familienhaus Bestand, mittlerer baulicher Wärmeschutz


Diskussion der Ergebnisse

Veränderte Ansätze für PEF-Berechnung führen zu wesentlicher

Änderung der Ergebnisse für Fernwärme HH

Präzise Aussagen gegenwärtig nicht möglich, da endgültige

Festlegung Ergebnis eines (langen) politischen

Diskussionsprozesses

Grundtendenzen relativ sicher

– umweltpolitische Vorteile von (großer) KWK werden

geringer

– kohlebasierte Wärmeerzeugung wird zukünftig weniger

attraktiv

→ ungünstigere Bewertung von Fernwärme mit bisheriger

Erzeugungsstruktur im Vergleich mit Wettbewerbslösungen


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit


Primärenergiebilanz – Berechnungsbeispiele

1. Status quo: Bilanzierung gemäß derzeit geltendem Regelwerk – bei

Einspeisung Gutschrift mit Verdrängungsmix-fP

2. Bewertung der KWK-Anlagen nach Exergiemethode: fP der

Einspeisung abhängig von KWK-Parametern (AGFW FW 309-6)

3. Wichtung der fP nach Treibhauspotenzial zusammen mit

a) Verdrängungsmix


4. Einbeziehung erneuerbarer Primärenergieanteile zusammen mit

a) Verdrängungsmix


5. zusätzliche Berechnungen analog zu Beispielen 1 bis 4 für

Austausch Wedel gegen neues Kohlekraftwerk anhand der

Beispiele 1-4 und Gegenüberstellung


Austausch Wedel gegen neues Kohlekraftwerk

angepasste Effizienzkennwerte Kohlekraftwerk für Zustand „neu“

Erzeuger Energie-

träger

Typ Leistung

[MW]

Deckungs-

anteil

Schätzung

Nutzungsgrad

Schätzung --- --- --- --- --- BET --- --- --- --- --- thermisch elektrisch Σ

Kohlekraftwerke** Steinkohle KWK 725 61,6%* 40→46% 28→34% 80%

Abfallkraftwerk Abfall KWK 105 13,8%* 40% 17% 57%

Gas-GuD Erdgas KWK 140 15,0%* 35% 50% 85%

Gaskessel** Erdgas Heizwerk 750 9,0% 85% 0% 85%

E-Kessel Strom Heizwerk 40 0,6% 100% 0% 100%

* fP-Zertifikat: κth,erneu = 13,8 % κKh,KWK = 90,4 %

** mittlere Werte über alle Erzeuger desselben Typs


5 Austausch Wedel gegen neues Kohlekraftwerk

Gegenüberstellung der PE-Faktoren

bei unterschiedlichen Bewertungsansätzen

Berechnungsbeispiel, Bilanzierungsansatz Primärenergiefaktor Fernwärme

bisher

(Wedel)

neu

(neues Kohle-

Kraftwerk)

1 Status quo: fester Verdrängungsmix-fP = 2,8 0,57 0,24

2 KWK-Allokation nach Exergiemethode 0,91 0,81

3a THG-gewichtete fP mit Verdrängungsmix 1,22 0,79

3b THG-gewichtete fP mit Exergiemethode 1,23 1,10

4a EE-gewichtete fP mit Verdrängungsmix 0,73 0,40

4b EE-gewichtete fP mit Exergiemethode 0,96 0,86

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