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


Angesichts knapper Rohstoffpotenziale sowie angesichts der Tatsache, dass es sich bei Holzheizwerken um kapitalintensive Projekte mit langen Amortisationszeiten handelt, muss es bei Wärmenetzen mit Holzheizwerk das Ziel sein, eine möglichst effiziente Wärmebereitstellung zu erreichen. Zu beachten sind insbesondere die Nutzungsgrade der Wärmeerzeuger, ggf. der Wärmeverlust der Wärmeverteilung und der Hilfsenergiebedarf. Wärmeverluste bedeuten auch Holzbrennstoff, der bezahlt werden muss, ohne ggf. eine Vergütung vom Wärmekunden dafür zu erhalten, bzw. eine Steigerung der Betriebskosten beim Wärmekunden. Es sollten ausschließlich hocheffiziente Anlagen realisiert werden.

Gestiegene Nutzungsgrade der Wärmeerzeuger

Seit 2006 kann bei den bayerischen Biomasseheizwerken eine deutliche Steigerung der Nutzungsgrade der Holzheizkessel von im Mittel 75 % auf 80 % festgestellt werden. Die Effizienz der Biomasseanlagen hat sich demnach insgesamt und weitgehend unabhängig von der Größe der Anlage verbessert. Dies liegt sicherlich auch daran, dass in den vergangenen Jahren bereits bei der Planung verstärkt auf eine möglichst hohe Auslastung der Wämeeerzeuger geachtet wurde. Die Jahresnutzungsgrade der Spitzenlastkessel dahingegen lagen im Mittel etwa gleichbleibend zwischen 83 und 84 %.

Wärmeverluste der Wärmeverteilung

Die prozentualen Wärmeverluste der Wärmeverteilung können umso größer sein, je niedriger die Wärmebelegungsdichte ist (siehe Abbildung). C.A.R.M.E.N. empfiehlt, ganzjährig betriebene Nahwärmenetze mit Holzheizwerk nur dann zu realisieren, wenn gewährleistet ist, dass im (vorläufigen) Endausbau eine durchschnittliche Wärmebelegungsdichte von mindestens 1,5 MWh pro Trassenmeter und Jahr erreicht werden kann, also der Jahres-Energiebedarf der zu versorgenden Objekte bezogen auf die Gesamt-Trassenlänge des Wärmenetzes einen Faktor von mindestens 1,5 ergibt. Erfahrungsgemäß ist dies eine Untergrenze für einen wirtschaftlichen Betrieb bei vertretbaren Wärmeverlusten der Wärmeverteilung. Wird mit einer extrem niedrigen Wärmebelegungsdichte von 0,5 MWh/(m*a) gearbeitet, muss unter Umständen mit Verlusten im Bereich von 20 bis 30 % der in das Netz eingespeisten Wärmemenge gerechnet werden. Häufig stehen bei solch niedrigen Wärmebelegungsdichten auch die Investitionen in die Wärmeverteilung in keinem Verhältnis mehr zum Erlös aus dem Wärmeverkauf. Denn die Wärmebelegungsdichte ist nicht nur ein Maß für den Wärmeverlust sondern insgesamt ein Maß für die Auslastung der Wärmeverteilung und damit auch ein Maß für die Verhältnismäßigkeit oder Unverhältnismäßigkeit der Netzkosten. Eine niedrige Wärmebelegungsdichte führt in der Tendenz ebenso zu erhöhten Wärmegestehungskosten wie eine niedrige Auslastung der Wärmeerzeugung.

 Netzbelegung und Netzverluste ohne 15

Bild: Theoretischer Wärmeverlust [%] in Abhängigkeit von der Wärmebelegungsdichte [MWh/(m*a)] (Quelle: C.A.R.M.E.N. e.V.) 

Einen Einfluss auf Wärmeverluste und Kosten haben zudem die Ausführung und der Betrieb der Wärmenetze, insbesondere die Dimensionierung der Wärmeleitungen und die Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf, in gewissem Umfang auch die Wärmedämmung der Rohrleitungen. Ungünstig sowohl in Bezug auf einen wirtschaftlichen Betrieb der Nahwärmeversorgung als auch im Sinne einer effizienten Brennstoffnutzung sind Überdimensionierungen, hohe Vor- und Rücklauftemperaturen und geringe Wärmedämmung. Das Ziel sollten ein kleinster möglicher Nenndurchmesser, eine möglichst große Temperaturspreizung bei möglichst niedrigen Rücklauftemperaturen und eine maximale Wärmedämmung sein.

Wichtig ist zudem aus wirtschaftlichen Gründen, dass die Wärmeversorgung zügig aufgenommen werden kann und das zu versorgende Objekt nicht erst realisiert werden muss, während die Wärmeleitung schon einige Jahre liegt und die Wärmeversorgungsanlage auf den vollen Betrieb warten muss. Der (vorläufige) Endausbau sollte im Idealfall spätestens drei Jahre nach Inbetriebnahme der Heizanlage erreicht sein.

Bevorzugt eignen sich demnach für eine Wärmeversorgung mit einem Holzheizwerk über ein Nah- oder Fernwärmenetz Objekte, die einen großen Wärmebedarf haben, dabei aber nur über eine verhältnismäßig kurze Wärmeleitung versorgt werden müssen, beispielsweise Krankenhäuser, Schwimmbäder aber auch Schulzentren und Wohnsiedlungen mit Mehrfamilienhäusern sowie diverse industrielle Prozesse, soweit nicht extreme Lastspitzen bedient werden müssen. Größere Anstrengungen zur Sichersellung  eines effizienten Netzbetriebes bedarf es hingegen bei sehr locker bebauten Wohngebieten und Neubaugebieten. Der Wärmeenergiebedarf von neu errichteten Einfamilienhäusern ist i.d.R. so gering, dass sich Bau und Betrieb eines aufwändigen herkömmlichen Wärmenetzes zu dessen Deckung kaum noch lohnen. Der Anteil der kapitalgebundenen Kosten an den Wärmegestehungskosten ist bei Wärmenetzen, die derartige Versorgungsstrukturen bedienen, in aller Regel sehr groß. Auch können bei niedrigen Wärmebelegungsdichten größere Wärmeverlustanteile enstehen, die sich bei nennenswerten Brennstoffkosten ebenfalls ungünstig auf die Wirtschaftlichkeit solcher Versorgungslösungen auswirken können.

Hilfsenergiebedarf beachten!

Insgesamt sollten bei gut ausgelegten Holzheizwerken und bei einer sinnvollen Versorgungsstruktur Jahresnutzungsgrade der Gesamtanlage von 70 % erreicht werden können. In ungünstigen Fällen und bei weniger sorgfältiger Planung und Auslegung liegen die Nutzungsgrade deutlich tiefer. Zusätzlich zu berücksichtigen ist der Hilfsenergiebedarf. Dabei handelt es sich i.d.R. um elektrischen Strom für den Antrieb diverser Aggregate in der Heizzentrale, insbesondere um Strom für den Antrieb der Netzpumpen. Der auf den Jahres-Energiebedarf bezogene Hilfsenergiebedarf liegt im Mittel um 1,5 % bei Heizwerken zur Objektversorgung und um 2,5 % bei Heizwerken mit Wärmenetz. Ein abweichend hoher Hilfsenergiebedarf lässt auf Optimierungspotenzial bei der Anlage schließen.

Möglichst tiefe Rücklauftemperaturen

Je größer die Temperaturdifferenz zwischen Netzvorlauf und Netzrücklauf ist, desto weniger Heizwasser muss durch das Wärmenetz geleitet werden, um die Wärme zu den Verbrauchern transportieren zu können. Eine große Temperaturspreizung von Beginn an ermöglicht demnach eine kleinere Dimensionierung der Rohrleitungen und senkt auch den Pumpstromverbrauch. Erzielt wird diese durch möglichst niedrige Rücklauftemperaturen, die u.a. einen hydraulischen Abgleich bei den Wärmeabnehmern voraussetzen. Eine Zukunftsoption wäre u.U. der Betrieb von Wärmepumpen, die an den Rücklauf angeschlossen sind.

Verzicht auf Ganzjahresbetrieb, Strangabschaltung

Mitunter kann es zur Eingrenzung der Netzverluste sinnvoll sein, auf den Sommerbetrieb der Biomasseheizanlage zu verzichten oder Netzstränge abzuschalten und den geringen Sommerbedarf einzelner Objekte durch eine Wärmeerzeugung vor Ort zu decken. Allerdings muss bedacht werden, dass Lastwechsel das Rohrleitungsmaterial beanspruchen. Ein kurz hintereinander erfolgendes, eventuell sogar wiederholtes Aufheizen und Abkühlen des Wärmenetzes ist insbesondere bei Stahlrohrleitungen nicht ratsam.

Effizienz von Anfang an

Bereits im Jahr 2000 hat der Bayerische Landtag aufgrund der Erfahrung aus Evaluierungen von Biomasseheizwerken in Deutschland, Österreich und der Schweiz beschlossen, dass eine Förderung von Biomasseheizwerken mit Mitteln des Freistaates nur vorgenommen werden soll, wenn die Effizienz der Wärmeversorgung gewährleistet ist, also die oben genannte Mindest-Wärmebelegungsdichte eingehalten wird, und wenn eine feste Zusage der Wärmekunden vorliegt (Drs. 14/4869). Nur noch erfolgversprechende hocheffiziente Musterprojekte sollten in den Genuss der Förderung kommen.

Mit dem Qualitätsmanagement QM Holzheizwerke, welches unter Beteiligung von C.A.R.M.E.N. entwickelt wurde, wurden die Qualitätsanforderungen an Holzheizwerke ab dem Jahr 2004 weiter erhöht. QM Holzheizwerke baut auf den Sachverstand und auf die Erfahrungen eines gelernten Planers auf, es vertieft das bestehende Wissen um die Besonderheiten der Holzheizwerke und bietet mit dem Q-Beauftragten eine Zweitmeinung im Planungs- und Realisierungsprozess. QM Holzheizwerke wird laufend aktualisiert. Geplant ist eine Weiterentwicklung zu QM Fernwärme.

Bioenergiedörfer und Dorfheizung

Nach der Jahrtausendwende entwickelten sich aus dem Modellprojekt des Bioenergiedorfs Jühnde (Niedersachsen) bundesweit gut 170 Bioenergiedörfer. Mit BHKW, Stromvergütung nach EEG und Nutzung der bei der Stromerzeugung als Beiprodukt anfallenden Wärme konnten auch bei niedrigen Wärmebelegungsdichten u.U. erfolgreiche Konzepte entwickelt werden. Finanziell gefördert wurden die Projekte vielfach über das Marktanreizprogramm (MAP) des Bundes zur Nutzung Erneuerbarer Energien im Wärmemarkt, welches anders als das bayerische, ausschließlich auf Holzheizwerke ausgerichtete Förderprogramm BioKlima bereits bei einer Wärmebelegungsdichte von 0,5 MWh pro Trassenmeter und Jahr eine Förderung gewährt (ursprünglich hieß es: bei 1,0 MWh pro Meter Rohrleitung - ein Schreibfehler, welcher später zu ungunsten der Effizienzsicherung korrigiert wurde?).

Das MAP wurde schließlich auch zur Fördergrundlage für mehrere so genannte Dorfheizungen, welche ländliche Siedlungen mit Wärme aus einer Biomasseheizanlage versorgen. Sowohl bei den Bioenergiedörfern als auch bei den Dorfheizungen weisen die Wärmenetze meist Wärmebelegungsdichten von deutlich unter 1,5 MWh/(m*a) auf. Ursache dafür sind die üblicherweise lockere dörfliche Bebauung und das Fehlen größerer Wärmeabnehmer. Anders als die Bioenergiedörfer mit KWK müssen die Dorfheizungen mit Holzheizkessel ihre Wirtschaftlichkeit aus dem Verkauf der Wärme zu Marktpreisen erzielen. Werden diese Anlagen nicht mit äußerster Sorgfalt geplant, gebaut und betrieben, erreichen sie nicht den vorgesehenen Wärmeabsatz und die geplanten Wärmeeinnahmen oder sind die Brennstoffkosten oder Wärmeverluste größer als einkalkuliert, dann ist die Gefahr eines wirtschaftlichen Defizits besonders groß.

Gegenwärtig entstehen Dorfheizungen in Bayern auch im Rahmen von Dorferneuerungsmaßnahmen. Die Mindest-Wärmebelegungsdichte liegt hier bei 0,5 MWh/(m*a).

Wärmenetze mit Holzheizwerk - keine Aufgabe für Laien!

Die Komplexität von Holzheizwerken und Wärmenetzen setzt zwingend voraus, dass sich fachkompetente Personen mit der Planung und Realisierung befassen. Hier gilt grundsätzlich und in jedem Leistungsbereich: Qualität zahlt sich aus.

 

Publikationen und weiterführende Informationen:

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

Bundesamt für Energie (Hrsg.): Analyse und Optimierung von Fernwärmenetzen. Ist-Analyse von Fernwärmenetzen und Bewertungs-Tool zur Netzoptimierung; Bern 2013

Nussbaumer, T; Thalmann, S.: Einfluss von Auslegung und Betrieb auf die Wirtschaftlichkeit von Fernwärmenetzen; in: Nussbaumer, Thomas (Hrsg.): 13. Holzenergie-Symposium; Zürich 2014, S. 211ff   

Thalmann, S.; Nussbaumer, T; Jenni, A: Ist-Analyse von Fernwärmenetzen; in : Nussbaumer, Thomas (Hrsg.): 13. Holzenergie-Symposium; Zürich 2014, S. 235ff

Land Steiermark (Hrsg.): Leitfaden zur Optimierung von Fernwärmenetzen. Verbesserung und Modernisierung bestehender Fernwärmeversorgungsanlagen; Graz 2015

Projekt TFLEX Temperaturflexibilisierung bei Nahwärmenetzen (Analysiert u.a. die Auswirkungen von Netzabschaltungen auf das Wärmenetz und auf die Wirtschaftlichkeit)

Projekt TFLEX (Vortrag von 2016 mit Vorstellung der Ziele und ersten Ergebnissen)

QM Holzheizwerke: Empfehlungen für ein optimiertes Wärmenetz

Mehr Qualität, bitte! Optimieren von Heizwerks- und Nahwärmeprojekten

Effiziente Heizwerke (Infos zu qm heizwerke sowie zu Projekten und Veranstaltungen in Österreich)

QM Fernwärme (Planungshandbuch mit einer ausführlichen Darstellung der Auswirkungen von Rohrtyp, Rohrdurchmesser, Dämmstärke, Temperaturniveau und Temperaturspreizung auf Effizienz und Kosten von Wärmeerzeugung und Wärmeverteilung)

Gemeinschaftsprojekt Dorfheizung fast pleite (Bericht des Bayerischen Rundfunks von 2016)


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