4.5 Die KWK im Energiesystem
4.5.3 Effekte aus dem Wärmemarkt
Die gesamtoptimierte Betriebsweise ist die systemdienlichste Be-triebsweise für eine KWK-Anlage, da weder KWK-Strom noch
KWK-Wärme brennstofffreie erneuerbare Energien im Strom- oder Wärmemarkt verdrängen. Auf der Wärmeseite ist daher ebenfalls entscheidend, dass die KWK-Anlage auf brennstofffreie erneuer-bare Energien reagiert. Dies untersucht dieses Kapitel:
Zur Beschreibung der Effekte auf dem Wärmemarkt bedarf es zu-nächst einer Abgrenzung der Sektoren und Anwendungen. Dies ist notwendig, da im Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWär-meG), in der Effizienzstrategie Gebäude (ESG) und im Klima-schutzplan unterschiedliche Abgrenzungen und somit unterschied-liche Größenordnungen und Maßnahmen zur Reduktion des Pri-märenergieeinsatzes verwendet wurden. Hierfür wird auf die im letzten Erfahrungsbericht zum EEWärmeG [BMWi 2015a] festge-legte Abgrenzung zurückgegriffen:
▪ Der Endenergieverbrauch für Wärme- und Kälte beinhaltet alle Wärme- und Kälteanwendungen, also Raumwärme, Warm-wasser, Prozesswärme, Klimakälte und Prozesskälte.
▪ Der Stromverbrauch, der zur Wärme- und Kälteerzeugung ein-gesetzt wird, wird nicht in die Berechnung einbezogen. Diese Berechnungsweise vermeidet Doppelzählungen, auch wenn der Wärmemarkt, insbesondere in Bezug auf Stromdirekt-Hei-zungen, damit nicht vollständig abgebildet wird.
Im Jahr 2013 betrug der Endenergieverbrauch für die Anwen-dungszwecke Raumwärme, Warmwasser, Prozesswärme, Klimati-sierung und Kälteerzeugung in den Sektoren Private Haushalte, GHD und Industrie insgesamt 1.291 TWh, im Jahr 2014 lag dieser Verbrauch mit 1.168 TWh niedriger, was in erster Linie auf eine mildere Witterung zurückzuführen ist [Prognos et. al. 2016]. Abbil-dung 25 stellt die Entwicklung des Endenergieverbrauchs für Wärme und Kälte von 2008 bis 2014 nach Anwendungen (Raum-wärme, Warmwasser, Prozess(Raum-wärme, Klimakälte, Prozesskälte) dar. Der größte Teil des Wärme- und Kälteverbrauchs entfällt auf die Anwendungen Raumwärme und Prozesswärme. Für die An-wendungen Klimatisierung und Prozesskälte wird hauptsächlich Strom eingesetzt, weshalb sie in der gewählten Abgrenzung nur geringen Anteil am gesamten Wärme- und Kälteverbrauch haben.
Abbildung 25: Endenergieverbrauch für Wärme und Kälte nach Anwendungszwecken
Quelle: Prognos et. al. 2016
Abbildung 26: Endenergieverbrauch für Wärme und Kälte nach Sektoren
Quelle: Prognos et. al. 2016
Die Entwicklung des Endenergieverbrauchs für Wärme und Kälte zwischen den Jahren 2008 und 2014 lässt zunächst keinen klaren Trend erkennen. Bei Betrachtung eines längeren Zeitraums zeigt sich hingegen, dass der Endenergieverbrauch in den vergangenen
740 703 783 1.288 1.188 1.330 1.215 1.222 1.291 1.168
0
2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014*
TWh 1.288 1.188 1.330 1.215 1.222 1.291 1.168
0
2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014*
TWh
PHH GHD IND Gesamt
* vorläufig
Jahren abgenommen hat (Abbildung 27). Zwischen den Jahren 2000 und 2014 sank der Endenergieverbrauch für Wärme und Kälte um durchschnittlich ein Prozent pro Jahr.
Abbildung 27: Entwicklung des Endenergieverbrauchs für Wärme und Kälte zwischen 2000 und 2014
Quelle: Prognos et. al. 2016
Ein wesentlicher Grund für diesen langfristig sinkenden Trend ist die Entwicklung des Endenergieverbrauchs für Raumwärme. Der spezifische Endenergieverbrauch für Raumwärme von Wohnge-bäuden ist in den vergangenen Jahren kontinuierlich gesunken.
Hierzu tragen zum einen Neubauten bei, deren energetischer Standard in der Regel besser ist als der Durchschnittswert des stands, sowie zum anderen energetische Sanierungen von Be-standsgebäuden. Diese Entwicklungen werden sich zukünftig fort-setzen und zu einer weiteren Absenkung des Wärmebedarfs von Gebäuden führen. Basierend auf den langjährigen historischen Trends ist künftig damit von einer weiteren Senkung des Endener-gieverbrauchs für Wärme auszugehen.
Der Anteil erneuerbarer Energien am Wärmemarkt lag im Jahr 2013 bei 13,3 % [BMWi 2015a]. Mit 122 TWh wurden im Jahr 2013 gut 9 % des Endenergieverbrauchs für Wärme und Kälte aus Fern-wärme gedeckt [Prognos et. al. 2016].
Der Verbrauch von Fernwärme aus erneuerbaren Energien nach Abzug von Netzverlusten wird vom biogenen Anteil des Abfalls so-wie von biogenen Festbrennstoffen dominiert. Alle übrigen Ener-gieträger nehmen eine untergeordnete Rolle ein. Es gibt in Deutschland zwar bereits einige Fernwärmeprojekte, welche Wärme aus solarthermischen Anlagen und Wärmepumpen einbin-den, deren Bedeutung im Wärmemarkt mit erneuerbaren Energien ist aber noch sehr gering. Bezogen auf den gesamten
0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014*
TWh
* vorläufig
(konventionell und erneuerbar basierten) Verbrauch von Fern-wärme in Höhe von etwa 122 TWh gemäß Energiebilanz 2013 (AGEB 2015) ergibt sich ein Anteil der erneuerbaren Energien von 12,1 %.
Abbildung 28: Fernwärmeverbrauch aus erneuerbaren Energien im Jahr 2013 nach AGEB-Konvention (nicht witte-rungsbereinigt)
Quelle: Prognos et. al. 2016
Bei diesem Wert ist zu beachten, dass die Wärmeerzeugung aus kleinen Heizwerken, die in Nahwärmenetze einspeisen, aber auch ein Großteil der Wärmeerzeugung aus Biogasanlagen, bei denen die Leistungsklasse < 1 MWel dominiert (DBFZ und IWES 2014), in den amtlichen Statistiken nicht berücksichtigt sind. Damit ist der oben ermittelte Anteil der erneuerbaren Energien an der Fernwär-mebereitstellung als Untergrenze zu interpretieren.
Der weit überwiegende Teil des Wärmemarktes ist dezentral in kleinen Erzeugungseinheiten (Objektversorgung) organisiert. Der Anteil der Fernwärme am Endenergieverbrauch für Raumwärme liegt bei 8,7 % (Abschnitt 4.1.4). Die Szenarien aktueller Gutachten gehen langfristig von einem Fernwärmeanteil bis zu 20% aus (z.B.
[IWES/IBP 2017], [ISI/Consentec/ifeu 2017], [Öko/ISI 2015]), wo-bei die Abgrenzung zwischen Fernwärme, Nahwärme und Quar-tiersversorgung nicht eindeutig bzw. fließend ist. Dennoch ist auf Basis dieser Studien zu erwarten, dass der überwiegende Teil des Wärmemarktes auch langfristig dezentral organisiert sein wird.
Für die Einzelversorgung, Quartiersversorgung oder Nahwärme-netze eignen sich vorwiegend größere Objekte in Gebieten mit ho-her Wärmenachfrage. Hierzu zählen nach qualitativer Einordnung alle Mehrfamilienhäuser (ca. 3 Mio. Gebäude) sowie ausgewählte Nichtwohngebäude, z.B.: Hotels, Krankenhäuser, Schwimmbäder, Pflegeheime, Versorgungs- und Rehabilitationseinrichtungen, Stu-dentenwohnheime, Gewächshäuser. In Summe sind dies etwa 50.000 Versorgungsobjekte, die sich entweder durch eine hohe
7,5
5,6
1,1 0,5
108 14,6
Fernwärmeverbrauch im Jahr 2013 in TWh
Biogener Anteil des Abfalls Biogene Festbrennstoffe, inkl. Klärschlamm Biomethan, Biogas Tiefengeothermie konventionelle Brennstoffe
Gesamt: 122 TWh
Warmwassernachfrage oder durch prozessbedingten Bedarf an hohen Vorlauftemperaturen auszeichnen.
Daraus ergeben sich für die Anforderungen an die Systemdienlich-keit der KWK-Anlage bzw. ihren systemdienlichen Betrieb aus dem Wärmemarkt heute noch sehr geringe Anforderungen: Es ist je-doch absehbar, dass diese Anforderungen mit dem Ausbau der brennstofffreien erneuerbaren Energien in der Fernwärme steigen werden.
Werden KWK-Anlagen in Kombination mit solarthermischen Anla-gen erstellt, wird normaler Weise aus wirtschaftlichen Gründen die Nutzung solarthermischer Wärme, die ohne Verbrauchskosten be-reitgestellt werden kann, einen Vorrang vor der Wärmebereitstel-lung aus der KWK-Anlage genießen. Bei Nutzung von Wärmepum-pen (Umweltwärme) sowie Biomasse als erneuerbare Wärmeener-gie kann es bei Kombinationen mit einer KWK-Anlage zu einer wirtschaftlichen Konkurrenzsituation kommen.
Energieeffizienzstrategie Gebäude
Mit der Energieeffizienzstrategie Gebäude (ESG) (BMWi 2015b) existiert für einen großen Teil des Wärmemarktes ein Strategiepro-zess der Bundesregierung. Sie umfasst sämtliche Wohngebäude und Nichtwohngebäude der Sektoren Private Haushalte, Industrie und Gewerbe, Handel, Dienstleistungen. Die im Rahmen der Ent-wicklung der Strategie berechneten Szenarien haben verdeutlicht, dass die Energiewende-Ziele im Gebäudebereich nur durch ein Zusammenspiel von Energieeffizienz (Reduktion der Wärmenach-frage) und der Dekarbonisierung der Wärmeversorgung (Einsatz erneuerbarer Energien zur Wärmebereitstellung) erreicht werden können (Prognos et. al. 2015b).
Der Endenergieeinsatz im Gebäudebereich sinkt in den Zielszena-rien der ESG bis zum Jahr 2030 um 20 % bis 30 % gegenüber dem Jahr 2008. Der Anteil von EE-Wärme steigt von aktuell ca.
13,3 % auf 29 % bis 40 % (Prognos/IWU/IFEU 2015).
Der Fernwärme wird hierbei in der ESG und diversen weiteren ak-tuellen Szenarienarbeiten (z.B. [IWES/IBP 2017], [ISI/Consen-tec/ifeu 2017], [Öko/ISI 2015]) eine wichtige Rolle beigemessen.
Ihr Anteil am Wärmemarkt steigt in den meisten Szenarien lang-fristig an. Kompatibel zu den Zielen der Energiewende ist diese Entwicklung aber nur dann, wenn es gelingt, den Einsatz Erneuer-barer Energien zur Fernwärmebereitstellung signifikant zu erhö-hen. Beispielsweise wird basierend auf der Energiereferenzprog-nose des BMWi (Prognos, EWI, GWS 2014) im Hintergrundpapier zur ESG von einer Halbierung des THG-Faktors der Fernwärme in Deutschland bis zum Jahr 2040 (Basis: 2008) ausgegangen.
Aus der ESG leiten sich drei Strategien mit direktem Bezug zu Fernwärme und KWK ab:
▪ Dekarbonisierung der dezentralen Wärmeversorgung.
▪ Dekarbonisierung der bestehenden Fernwärme.
▪ Anheben des Anteils von netzgebundener Wärme durch den Ausbau und die Modernisierung bestehender Netze sowie den Zubau von Nahwärmenetzen und Quartiersversorgungen.
Ordnungsrechtlicher Rahmen im Bereich Gebäude
Der ordnungsrechtliche Rahmen im Gebäudebereich wird im We-sentlichen durch das Energieeinsparungsgesetz (EnEG), der da-rauf beruhenden EnEV und dem EEWärmeG vorgegeben.
Die EnEV schreibt bautechnische Standardanforderungen zur Ein-sparung von Energie in Gebäuden vor und gilt für Wohn- und Nichtwohngebäude. Sie macht Vorgaben für den Einsatz nicht er-neuerbarer Primärenergie je m² Nutzfläche (Qp) in Neubauten und bei der vollständigen Sanierung bestehender Wohn- und Nicht-wohngebäude (Hauptanforderung). Hinzu kommen Vorgaben für die energetische Qualität der Gebäudehülle (H‘t) (Nebenanforde-rung). Sie bildet den rechtlichen Rahmen für die Wärmenachfrage der Gebäude. Der Einsatz der nicht erneuerbaren Primärenergie Qp wird zum einen durch die energetische Qualität der Gebäude-hülle (H‘t) als auch durch die eingesetzten Wärmeenergieträger beeinflusst. Darüber hinaus macht die EnEV Vorgaben für ein-zelne Bauteile bei teilweisen energetischen Sanierungen.
Die Bilanzierung des Primärenergieeinsatzes nach der EnEV er-folgt nach den Methoden der Verursacherbilanz, also inklusive Energieaufwand der Vorketten der eingesetzten Energieträger. Die Primärenergiefaktoren werden aktuell der DIN 18599 entnommen.
Fernwärmeanbieter können ihre Fernwärme zertifizieren lassen – dies ist wirtschaftlich attraktiv, wenn die erzeugte Fernwärme wie in den meisten bestehenden Fernwärmenetzen besser ist als die Vorgaben der DIN 18599.
Die EnEV ist technologieoffen und lässt einen gewissen Spielraum hinsichtlich H’t und Qp zu. So reicht es beim Einsatz eines Wärme-erzeugers mit niedriger primärenergetischer Aufwandszahl (z.B.
Wärmepumpen, Holzpellets, Wärmenetze mit hohen Anteilen an KWK und Erneuerbaren Energien) aus, die Mindestanforderungen der EnEV an die Gebäudehülle (H’t) zu erfüllen und dennoch die Hauptanforderung (Qp) zu erreichen. Bei überwiegend fossil befeu-erten Wärmeerzeugern hingegen sind die Anforderungen an die Gebäudehülle (H‘t) deutlich höher, um die Hauptanforderung (Qp)
erfüllen zu können. Letztlich kann der Bauherr darüber entschei-den, wie er diesen Spielraum nutzt.
Die Zielsetzungen des EEWärmeG sind die Schonung fossiler Ressourcen, die Minderung der Abhängigkeit von Energieimpor-ten, die Ermöglichung einer nachhaltigen Entwicklung der Energie-versorgung und die Förderung der Weiterentwicklung von Techno-logien zur Erzeugung von Wärme und Kälte aus Erneuerbaren Energien. Das Gesetz soll dazu beitragen, den Anteil Erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch für Wärme und Kälte bis zum
Jahr 2020 auf 14 Prozent zu erhöhen. Das EEWärmeG adressiert auch industrielle Wärme und Kälte und geht damit über den Gel-tungsbereich der EnEV hinaus. Teil 2 des Gesetzes macht Vorga-ben für den Anteil erneuerbarer Energien an der Wärmeerzeugung bei Neubauten (Wohn- und Nichtwohngebäude). Für den Bestand werden keine Vorgaben zum Einsatz erneuerbarer Energien ge-macht; stattdessen wird im Teil 3 des Gesetzes die Förderung Nut-zung Erneuerbarer Energien für die Erzeugung von Wärme oder Kälte durch den Bund geregelt. Finanzielle Förderung von Wärme aus erneuerbaren Energien werden nur für bestehende Gebäude gewährt.
Aktuelle Entwicklungen im Bereich des Ordnungsrechts Die aufgrund der Überlappung geplante Zusammenführung von EEWärmeG und EnEV in einem einheitlichen Gebäudeenergiege-setz (GEG) scheiterte im Frühjahr 2017. Nach der Bundestags-wahl im September 2017 wurden vom BMWi mehrere Gutachten zur Vorbereitung eines weiteren Anlaufs in Auftrag gegeben, mit denen Konfliktpunkte des ersten Versuchs aufgearbeitet werden sollen. Konkret handelt es sich um zwei Aspekte, die auch für KWK und Fernwärme Relevanz haben:
▪ Überprüfung des Anforderungssystems und ggf. stärkere Aus-richtung auf CO2: Änderungen am ordnungsrechtlichen Anfor-derungssystem können sich auf das Zusammenspiel der An-forderungen an Energieeffizienz und CO2-armer Wärme aus-wirken. Die Effekte für KWK und Fernwärme sind derzeit nicht konkret absehbar.
▪ Neuordnung der gesetzlichen Regelungen von Primärenergie- und CO2-Faktoren: Für die KWK ist zu prüfen, inwieweit die ak-tuelle Bilanzierungsweise (Stromgutschrift) durch eine andere Methode (Carnot-Methode, Finnische Methode) ersetzt werden soll. Beide genannten Methoden haben eine Erhöhung des Pri-märenergiefaktors von Objekt-KWK und KWK-Fernwärme zur Folge. Mit Blick auf die oben beschriebenen Anforderungen der EnEV würden Objekt-KWK und Fernwärme-KWK damit un-attraktiver im Vergleich zu anderen Wärmeerzeugern auf Basis erneuerbarer Energien.
Aktuell liegt ein neuer Referentenentwurf vor, der jedoch noch nicht öffentlich ist. Die weitere Entwicklung ist daher derzeit noch nicht abschätzbar.
Exkurs: Kostenoptimalität im Ordnungsrecht für Gebäude Zur Vorbereitung der Festlegung der Anforderungen an Energieef-fizienz und Primärenergieeinsatz durch das Ordnungsrecht im Be-reich Gebäude (EnEG, EnEV, EEWärmeG) führt die Bundesregie-rung Berechnungen zur Einzelwirtschaftlichkeit der AnfordeBundesregie-rungen durch. Ziel ist es, das sogenannte kostenoptimale Niveau zu ermit-teln. Die Berechnungen sind sehr umfangreich, da aufgrund
unterschiedlicher Wärmeerzeuger und möglichen Wärmedämmni-veaus eine große Breite an technischen Lösungsoptionen für Ge-bäude zur Verfügung steht.
Das kostenoptimale Niveau ist derjenige energetische Gebäude-standard, der über einen gewählten Betrachtungszeitraum den ge-ringsten Kapitalwert (Abgezinste Summe aus Investitions- und Be-triebskosten) aufweist. Im Rahmen der Berechnungen kann für die vorgegebenen Rahmenbedingungen jeweils eine kostenoptimale Variante bestimmt werden. In der Regel weisen jedoch mehrere Varianten aus Wärmeversorgung und Energieeffizienzniveau ähn-liche Kapitalwerte auf. Gemäß der EU-Gebäuderichtlinie sollte zur Festlegung des kostenoptimalen Niveaus bei gleichen oder sehr ähnlichen Kapitalwerten möglichst die Variante mit dem geringsten Primärenergieverbrauch herangezogen werden.
Ändern sich – wie oben dargelegt - die für die Berechnungen zu-grunde gelegten Primärenergiefaktoren (s.o.), so hat dies auch Einfluss auf das ermittelte Kostenoptimum.