Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk e.V.


Auf Basis der abgeschlossenen Situationserfassung erfolgt die Systemwahl der Wärmeerzeugung. Zu klären ist u.a., ob eine mono- oder eine bivalente Anlage realisiert werden soll  und ob mit oder ohne Wärmespeicher gearbeitet werden soll (siehe auch Standard-Schaltungen nach QM Holzheizwerke).

geordnete JahresdauerlinieAuslegung der Wärmeerzeuger anhand der geordneten Jahresdauerlinie

In den vergangenen Jahren wurden in der Regel bivalente Wärmeerzeugungsanlagen realisiert, das heißt der Biomasseheizkessel deckt aufgrund seiner hohen Kapitalkosten und niedrigen Betriebskosten die Grundlast, zur Abdeckung der Schwachlast und der Lastspitzen sowie als Reserve wird ein Öl- oder Gasheizkessel installiert. Die Wärmeerzeuger werden anhand einer projektspezifischen geordneten Jahresdauerlinie so dimensioniert, dass wenigstes 80 % der Wärme aus Biomasse bereitgestellt werden können; eine geeignete Versorgungsstruktur vorausgesetzt, sind durchaus Biomasseanteile um 95 % zu erreichen. Zu beachten ist, dass die Leistung eines Biomasseheizkessels nicht beliebig weit reduziert werden kann; d.h. die kleinste Leistung, die sinnvoll eingestellt werden kann, liegt i.d.R. um 30 % der Nenn-Wärmeleistung und hängt u. a. von der Qualität der zur Verfügung stehenden Biomassebrennstoffe ab. C.A.R.M.E.N. empfiehlt, bivalente Wärmeerzeugungsanlagen so auszulegen, dass der Biomasseheizkessel wenigstens 2.500 Vollbetriebsstunden im Jahr erreicht und insgesamt wenigstens 80 % der Wärme aus Biomasse bereitgestellt werden.

Seit einiger Zeit wird auch im Leistungsbereich über 300 kW zunehmend mit monovalenten Mehrkesselanlagen gearbeitet, d. h. auf einen zusätzlichen Öl- oder Gasheizkessel wird verzichtet, man arbeitet stattdessen mit zwei oder mit mehreren Holzheizkesseln. Ziel dieser Konzeption ist es, eine vollständige Unabhängigkeit der Wärmebereitstellung von fossilen Energieträgern zu erreichen. Dabei muss jedoch bedacht werden, dass es sich bei monovalenten Anlagen um eine Variante handelt, die mit relativ hohen Investitionen verbunden ist. Abhängig vom Lastgang kann es sinnvoll sein, die Biomasseheizkessel einer monovalenten Wärmeerzeugeranlage mit unterschiedlicher und nicht mit identischer Leistung zu wählen. Der Heizkessel mit der kleinen Leistung sollte dann wenn möglich mit einer automatischen Zündung ausgestattet sein.

Monovalente Anlagen sollten nur realisiert werden, wenn der/die Wärmeerzeuger wenigstens 2.000 Vollbetriebsstunden im Jahr erreichen kann/können. Sowohl monovalente als auch bivalente Wärmeerzeugeranlagen sollten generell mit einem Wärmespeicher ausgestattet werden; eine Holzheizkesselanlage ohne Wärmespeicher macht nur in Ausnahmefällen Sinn. Empfehlungen zur Auslegung von Wärmespeichern und zur Speicherbewirtschaftungen nennt QM Holzheizwerke.

 

Vollbetriebsstunden:

Die Vollbetriebsstunden eines Wärmeerzeugers in Stunden pro Jahr sind eine fiktive Kenngröße, sie kennzeichnen die Auslastung des Wärmeerzeugers. Nach QM Holzheizwerke sind die Vollbetriebsstunden definiert als die Division der Jahreswärmeproduktion des Wärmeerzeugers in Kilowattstunden (kWh) pro Jahr durch dessen Nennwärmeleistung in Kilowatt (kW). Ein Holzheizkessel mit einer Nennwärmeleistung von 500 kW, der im Jahr 2.000 MWh (entspricht 2.000.000 kWh) bereitstellt, weist demnach eine Auslastung von 4.000 Vollbetriebsstunden im Jahr auf. Wird bei gleichem Bedarf ein etwas leistungsstärkerer Holzheizkessel mit einer Leistung von 700 kW gewählt, dann wird dieser Wärmeerzeuger eine Auslastung von nur gut 2.800 Vollbetriebsstunden im Jahr erreichen können.

Je größer die Auslastung eines Holzheizkessels ist, um so effizienter kann er betrieben werden und um so besser kann die Wirtschaftlichkeit der Wärmebereitstellung sein. Eine gute Auslastung des Wärmeerzeugers kann nämlich dazu beitragen, dass sich die relativ hohe Investition in einen Holzheizkessel "lohnt" - sie wird möglichst gut ausgenutzt -, und dass sich bei seinem Betrieb nur wenige Schadstoff- und Geruchsemissionen bilden und mit dem Abgas in die Umwelt ausgetragen werden. Holzheizkessel gehören zu den Anlagen, die hohe Kapitalkosten und niedrige Betriebskosten aufweisen und deshalb möglichst zur Abdeckung der Grundlast verwendet werden sollten.

Bivalente Wärmeerzeugungsanlagen ermöglichen relativ hohe Vollbetriebsstunden der Holzheizanlage. Bei monovalentem Betrieb der Wärmeerzeugung sowie bei Betrieb des Holzheizkessels zur Abdeckung der Mittel- und Spitzenlast sind in der Regel nur sehr tiefe Vollbetriebsstunden zu erzielen. Die Anwendung bestimmter Technologien muss in Frage gestellt oder ganz ausgeschlossen werden, wenn eine bestimmte technologiespezifische Vollbetriebsstundenzahl nicht eingehalten werden kann. So eignen sich beispielsweise Vorschubrostfeuerungen, die sehr variable Brennstoffqualitäten verarbeiten, i.d.R. nur für den Bandlastbetrieb, also für den Betrieb mit relativ hohen Vollbetriebsstunden.

 

Einbindung externer Wärmequellen

Unter Umständen kann es sinnvoll und machbar sein, weitere Wärmeerzeuger in das Versorgungssystem einzubinden, z.B. bestehende, extern aufgestellte Heizkessel, ein BHKW oder eine thermische Solaranlage. Allerdings konkurrieren BHKW’s und thermische Solaranlagen mit dem Biomasseheizkessel um die Grundlast, wenn deren gleichzeitiger Betrieb vorgesehen ist. Die Situation kann dadurch entzerrt werden, dass die thermische Solaranlagen oder die Wärme aus einem Biogas-BHKW hauptsächlich zur Abdeckung der Sommerlast (Schwachlast) verwendet werden. Der Biomassekessel bleibt den Sommer über abgeschaltet und muss nicht im ungünstigen Betriebsbereich und bei hohen Wärmeverlusten den geringen Sommerbedarf decken.

Sofern so genannte Abwärme in räumlicher Nähe verfügbar ist - also Wärme, die zum Beispiel in der Industrie oder bei einem Stromerzeugungsprozess zunächst ohne Verwertung als Beiprodukt anfällt -, sollte deren Verwendung im Wärmenetz des Biomasseheizwerks grundsätzlich geprüft werden. Unter Umständen kann damit die Wärmeerzeugeranlage von vornherein kleiner dimensioniert und Brennstoff gespart werden. Bei industrielle Abwärme allerdings kann das Vorhalten einer Ersatzwärmeerzeugerleistung produktions- und konjunkturbedingt notwendig sein. Die Abwärme sollte langfristig zur Verfügung stehen, ihre Nutzung bedarf meist besonderer vertraglicher Regelungen.

Die Einbindung externer Wärmeerzeuger kann besondere Anforderungen an die hydraulische und regelungstechnische Lösung stellen.

 

Verzicht auf Ganzjahresbetrieb, Strangabschaltung

Wärmenetze, die Schulzentren, Mehrzweckhallen usw. ohne Sommerbedarf versorgen, müssen nur während der Heizsaison in Betrieb sein und Wärme liefern. Werden Wohngebäude mit Wärme versorgt, dann muss das Netz zur Trinkwassererwärmung in der Regel auch im Sommer auf Temperatur gehalten werden. Dennoch kann es auch bei solchen Projekten zur Eingrenzung der Netzverluste sinnvoll sein, zeitweilig auf den Betrieb der Biomasseheizanlage oder von Teilen des Wärmenetzes zu verzichten, also beispielsweise bei der Versorgung von Wohngebäuden den geringen Sommerbedarf einzelner Objekte durch eine Wärmeerzeugung vor Ort  zu decken und Netzteilstränge auskühlen zu lassen. Durch Lastwechsel wird das das Rohrleitungsmaterial außerordentlich beansprucht, vor allem an den Verbindungsstellen, den so genannten Muffen, können Leckagen entstehen. Ein kurz hintereinander erfolgendes, eventuell sogar wiederholtes Abkühlen und Aufheizen des Wärmenetzes ist insbesondere bei Stahlrohrleitungen nicht ratsam.

 

Empfehlungen zur Systemwahl nach QM Holzheizwerke

Das Qualitätsmanagementsystem QM Holzheizwerke nennet eine Reihe bewährter hydraulischer Schaltungen für Wärmeerzeugeranlagen bei Holzheizwerken und empfiehlt diese als Qualitätsstandard. Die Standard-Schaltungen unterscheiden sich in der Art der Wärmebereitstellung (mono- oder bivalent) und im Vorhandensein oder im Verzicht auf einen Wärmespeicher.

Monovalente Holzheizungsanlage ohne Wärmespeicher

Bei monovalenten Holzheizungsanlagen ohne Wärmespeicher erfolgt die Wärmebereitstellung durch einen einzelnen oder durch mehrere Holzheizkessel ohne Wärmespeicher. Die Holzkesselanlage erreicht i.d.R. weniger als 2.000 Vollbetriebsstunden pro Jahr. Ein Ganzjahresbetrieb ist mit dieser Variante i.d.R. nicht möglich. Die Investition ist relativ niedrig, die Wärmebereitstellung erfolgt zu 100 % aus Holzenergie. Ein etappenweiser Anschluss von Wärmeverbrauchern ist nur bei der Variante mit mehreren Holzheizkesseln möglich.

Monovalente Holzheizungsanlage mit Wärmespeicher

Die Wärmebereitstellung erfolgt durch einen oder mehrere Holzheizkessel mit Wärmespeicher. Die Vollbetriebsstunden der Wärmeerzeugeranlage können je nach Lastgang deutlich über 2.000 h/a liegen. Bei Varianten mit mehreren Wärmeerzeugern kann u.U. ein Ganzjahresbetrieb der Holzheizanlage möglich sein, und es ist eventuell ein etappenweiser Anschluss zu versorgender Objekte möglich. Die Investitionen sind allerdings relativ hoch, insbesondere bei Varianten mit mehreren Wärmeerzeugern.

Bivalente Holzheizungsanlage ohne Wärmespeicher

Bei bivalenten Wärmeerzeugeranlagen erfolgt die Wärmebereitstellung im Wesentlichen durch die Holzheizanlage. Ein zusätzlicher Öl- oder Gasheizkessel steht zur Abdeckung der Lastspitzen und als Reserve zur Verfügung, eventuell wird auch die Schwachlast damit gedeckt. Bei Anlagen ohne Wärmespeicher sind Vollbetriebsstunden der Holzkesselanlage zwischen 2.000 und 3.000 h/a zu erreichen, ein Ganzjahresbetrieb der Holzheizanlage ist i.d.R. nicht möglich, die Investitionen der einzelnen Varianten liegen auf mittlerem bis relativ hohem Niveau.

Bivalente Holzheizungsanlage mit Wärmespeicher

Die Wärmebereitstellung erfolgt im Wesentlichen durch die Holzheizanlage, ein zusätzlicher Öl- oder Gasheizkessel steht zur Abdeckung der Lastspitzen und als Ausfallreserve zur Verfügung, eventuell wird damit auch die Schwachlast gedeckt. Die Holzkesselanlage kann u.U. Vollbetriebsstunden zwischen 3.000 und 4.500 h/a erzielen, ein Ganzjahresbetrieb ist u.U. möglich, ebenso ein etappenweiser Anschluss der zu versorgenden Objekte. Die Investition der Varianten liegt auf mittlerem (Variante mit einem Holzheizkessel) bis hohem Niveau (Variante mit mehreren Holzheizkesseln).

 

 

Weiterführende Literatur:

C.A.R.M.E.N. e.V. (Hrsg.): Planungshandbuch; Straubing 2004

QM Fernwärme (Planungshandbuch mit grundsätzlichen Hinweisen zur Auslegung von Wärmeerzeugern in Wärmenetzen)


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