5.5 Resilienz-Bewertung
5.5.2 Ergebnisse der Resilienz-Bewertung
In Abb. 5.6 sind die Ergebnisse der Diversitätsbewertung der Wärmeversorgungskonzepte anhand des Stirling-Index dargestellt. Die Untersuchung der Fallbeispiele zeigt, dass die Verwendung von Strom-basierter Wärmeerzeugung mittels Wärmepumpen die Diversität in allen Versorgungvarianten im Ver-gleich zur konventionellen BHKW/Gaskessel Versorgung deutlich erhöht. Die zusätzliche Nutzung von
Abb. 5.6: Vergleich des Stirling-Index zur Bewertung der Diversität verschiedener Er-zeugerszenarien unter Berücksichtigung der Verbrauchsszenarien „Aktueller Sanie-rungsstand“ und „Vollsanierung“
Quelle: Universität Bremen, eigene Berechnung und Darstellung auf Grundlage der Simulati-onsergebnisse des IÖW
Sonnenenergie durch PV- bzw. Solarthermie-Anlagen führt in beiden Verbrauchsszenarien zu einer weiteren Steigerung der Diversität. Beim Vergleich der Verbrauchsszenarien untereinander reduziert sich die Diversität in allen Szenarien bei Vollsanierung mit Ausnahme der konventionellen Referenzva-riante „BHKW_Kessel“. Ursache ist hierbei der gesteigerte Energieanteil, der durch die Wärmepumpe und den solaren Energiequellen gedeckt werden kann. Der Anteil der fossilen Wärmebereitstellung kann dabei stark reduziert werden, was aus ökologischer Sicht zu bevorzugen ist. Um die Resilienz des Sys-tems zu erhalten, sollten die Anteile verschiedener erneuerbaren Energiequellen soweit gesteigert wer-den, dass die Diversität weiterhin hoch bleibt. Ansatzpunkte wären biogene Brennstoffe einzusetzen, auf verschiedene Wärmepumpen-Technologien bzw. Wärmequellen zu setzen oder – sofern die Rah-menbedingungen in einem Quartier dies erlauben – den solaren Anteil weiter zu erhöhen (im Beispiel-quartier sind die Möglichkeiten hier begrenzt).
In Abb. 5.7 sind die Ergebnisse des Redundanz-Index der Wärmeversorgungskonzepte der beiden Ver-brauchsszenarien „Aktueller Sanierungszustand“ und „Vollsanierung“ dargestellt. Da es sich um das Versorgungsrisiko in kWh handelt, bedeuten größere Werte ein größeres Versorgungsrisiko. Ausge-hend vom derzeitigen Anlagenbestand (Erzeugungsszenario „BHKW_Kessel“) führt die zusätzliche In-stallation von Wärmepumpenkapazitäten (Abwasser-Wärmepumpe) zu einer Steigerung der Redun-danz in beiden Verbrauchsszenarien. Das Risiko der Unterversorgung verringert sich in diesem Fall.
Die zusätzlichen Wärmepumpen-Kapazitäten führen im aktuellen Sanierungszustand sogar zum Errei-chen des n-2 Kriteriums, das heißt es können zu jedem Zeitpunkt im Jahr zwei Anlagen ausfallen, ohne dass es zu einer Unterversorgung kommen könnte. Im Verbrauchsszenario „Vollsanierung“ liegen die
Abb. 5.7: Darstellung des Redundanz-Index der Erzeugerszenarien für den aktuellen Sanierungszustand und bei Vollsanierung
Quelle: Universität Bremen, eigene Berechnung und Darstellung auf Grundlage der Simulati-onsergebnisse des IÖW
Werte des Redundanz-Index in allen Varianten über dem des aktuellen Sanierungszustandes, da hier bei der Konzeptionierung aufgrund des gesunkenen Wärmebedarfs weniger Gasspitzenlastkessel vor-gesehen sind. Daher steigt der Redundanz-Index zwar leicht an, führt allerdings nicht zu einer Verlet-zung des n-1 Kriteriums. Grundsätzlich wurde die Installation von Redundanzen in ausreichender Form in allen Varianten berücksichtigt. Das Risiko der Unterversorgung liegt auf einem sehr niedrigen Niveau.
In diesem Bereich ergibt sich aus Sicht der Resilienz keine Handlungsempfehlung.
Ein klarer Trend zeichnet sich bei der Betrachtung der Wärmemengenanteile aus lose gekoppelten An-lagen ab (s. Abb. 5.8). Lediglich in den Varianten „BHKWkl_Abw_PV“ und „BHKWkl_Abw_ST“ tragen lose gekoppelte Anlagen zur Wärmebereitgestellung bei. Dabei liegen die Anteile in dem Verbrauchs-szenario „Vollsanierung“ um einige Prozentpunkte höher, da bei gleichbleibenden Anlagenkapazitäten ein höherer Beitrag zur Wärmebereitstellung realisiert werden kann. Die Erzeugertechnologien Erdgas-kessel und BHKW sind fest an das Gasnetz gekoppelt, während die Abwasser- und die Luftwärme-pumpe ohne eine PV-Anlage an das Stromnetz gekoppelt sind. Nur falls zusätzlich zur Abwasserwär-mepumpe eine PV- oder Solarthermie- Anlageinstalliert ist, kann ein Teil der Wärme infrastrukturunab-hängig bereitgestellt werden. Daher empfiehlt es sich den Anteil an Wärmeerzeugern mit lose gekop-pelten Erzeugungsanlagen zu erhöhen. Eine weitere Möglichkeit wäre einen Spitzenlast- bzw. Reser-vekessel mit einem Öl- statt einem Gaskessel zu ersetzen. Damit wäre über einen Öltank eine lose Kopplung hergestellt und die CO2-Bilanz wegen der geringen Energiemenge zur Deckung der Spitzen-last nur minimal verschlechtert. Dennoch widerspricht dieser Ansatz dem Leitbild einer klimaneutralen Wärmeversorgung. Eine nachhaltige Alternative zum Öltank bilden erneuerbare Festbrennstoffe wie Hackschnitzel oder Pellets, deren kurz- bis mittelfristige Verfügbarkeit nicht von leitungsgebundenen Infrastrukturen (Strom und Gas) abhängen, falls die Anlagen im Inselbetrieb gefahren werden können.
Abb. 5.8: Anteile der Wärmeerzeugungsmengen aus lose gekoppelten Anlagen in den Verbrauchsszenarien „Aktueller Sanierungszustand“ und „Vollsanierung“
Quelle: Universität Bremen, eigene Berechnung und Darstellung auf Grundlage der Simulati-onsergebnisse des IÖW
6 Schlussfolgerungen und Empfeh-lungen
Abwasser(wärme) stellt eine der wenigen nachhaltigen Wärmequellen dar, die in allen Städten und Kommunen über das ganze Jahr hinweg bereitstehen. Gleichwohl steht Abwasserwärme nicht in allen Quartieren als nutzbare Wärmequelle zur Verfügung, da die Abwasserkanäle eine hinreichende Lei-tungsgröße aufweisen müssen und eine Mindestdurchflussrate gewährleistet sein muss (BWB 2017a).
Die Abwasserwärmepotenziale können insgesamt nur einen kleinen Anteil der Wärmeversorgung in der Stadt bedienen. In einzelnen Quartieren liegen jedoch in einem so großen Umfang Abwasserwärmepo-tenziale vor, dass theoretisch der gesamte Quartierswärmebedarf hierüber gedeckt werden kann. Die Simulationen für das Beispielquartier zeigen, dass in Kombination mit Spitzenlastkesseln und BHKW hohe Versorgungsanteile durch Abwasserwärme möglich sind.
Bislang werden Wärmeversorgungskonzepte mit Abwasserwärmenutzung überwiegend in Neubauten bzw. Neubaugebieten umgesetzt. Um die Abwasserwärme als eine der wenigen Wärmequellen in Städ-ten zu nutzen, sollte jedoch auch eine Umsetzung in BestandsgebieStäd-ten erfolgen.
Die vorliegende Arbeit untersucht eine mögliche Nutzung von Abwasserwärme in einem Bestandsquar-tier in Berlin-Charlottenburg. Günstig mit Blick auf die Umsetzung ist der im QuarBestandsquar-tier Klausenerplatz-Kiez hohe Anteil an Gebäuden, die durch eine städtische Wohnungsbaugesellschaft verwaltet werden, sodass eine aus technischer und ökonomischer Perspektive mindestens erforderliche Anzahl an Wär-meabnehmern für eine netzgebundene Versorgung erreicht werden kann. Von Vorteil ist außerdem, dass in den in Frage kommenden Blöcken bereits ein Arealnetz und eine Heizzentrale bestehen, über das auch eine Mitversorgung umliegender Gebäude möglich ist. Die Gebäude der Wohnungsbauge-sellschaft und die Heizzentrale könnten somit als Keimzelle wirken, um im Laufe der Zeit weitere Ge-bäude über den Block hinaus mitzuversorgen, wenn dort ein Heizungsaustausch ansteht.
Seitens der Wohnungsbaugesellschaft besteht ein Interesse an einer Nutzung der Abwasserwärmepo-tenziale. Um die Nutzbarkeit der theoretischen Potenziale genauer ableiten zu können bedarf es nun einer Machbarkeitsstudie durch die BWB. Ebenso muss durch den Anlagenbetreiber der Heizzentrale geprüft werden, welche Auswirkungen Veränderungen in der Heizzentrale und insbesondere die Nie-dertemperatureinbringung auf die Effizienz des bestehenden Erzeugerparks hat.
Mit Blick auf die Wärmeerzeugung wurden unterschiedliche Anlagenkombinationen untersucht. Die Ab-wasserwärmepumpe wurde auf ca. 4.000 Volllaststunden ausgelegt und mit unterschiedlich groß di-mensionierten BHKW sowie mit PV- und Solarthermie-Anlagen kombiniert. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Kombination der Abwasserwärmepumpe mit einem größeren BHKW (ausgelegt auf 3.500 Volllast-stunden) sowie mit PV-Anlagen mit Blick auf die CO2eq-Emissionen am günstigsten ist. Die CO2eq -Ver-meidung pro Euro und somit die Kosteneffizienz der CO2-Vermeidung sind in diesem Fall ebenfalls besonders günstig. Allerdings sind die Wärmegestehungskosten dieses Systems merklich höher als die des aktuellen Wärmeversorgungssystems bestehend aus einem kleinem BHKW und mehreren Gas-kesseln. Der nationale CO2-Preis auf fossile Rohstoffe, der ab 2021 gelten soll, wie auch die Förderun-gen von Energieeffizienzmaßnahmen auf Bundesebene durch das BAFA, verbessern die Wettbewerbs-fähigkeit von Wärmeversorgungskonzepten mit Abwasserwärme zwar. Allerdings liegen die Wärmege-stehungskosten in der Beispielrechnung in einem System mit rein fossiler Wärmeversorgung auf Basis von Erdgas und ohne energetische Sanierung immer noch unter denen eines Systems mit energetischer Sanierung und Abwasserwärmenutzung. Die Kombination einer Wärmepumpe und einer PV-Anlage kann sich sowohl mit Blick auf die CO2eq-Emissionen als auch die Wärmegestehungskosten positiv aus-wirken. Jedoch ist die Betrachtung eher theoretischer bzw. beispielhafter Natur, da die aktuellen Rege-lungen die Nutzung von mehreren PV-Anlagen in einem Quartier für den Betrieb einer Wärmepumpe nicht erlauben (sofern das öffentliche Stromnetz genutzt wird).
Die Resilienz-Bewertung zeigt, dass eine Nutzung von Abwasserwärme zu einer Diversifizierung der Wärmeversorgung beiträgt und sich somit positiv auf die Resilienz auswirken kann. Vorteilhaft mit Blick auf die Resilienz sind vor allem die Szenarien, die eine Kombination mit PV- und Solarthermie-Anlagen vorsehen, da dann die höchsten Anteile an Diversität und loser Kopplung erreicht werden. Einschrän-kend in Bezug auf die Resilienz-Bewertung ist zu sagen, dass die vorliegende Bewertung auf lediglich drei Indikatoren basiert und somit nur erste Hinweise liefert.
Eine Herausforderung und ein Hemmnis bei der Nutzung des Abwasserwärme-Potenzials ergibt sich dadurch, dass in Bestandsgebäuden eine energetische Sanierung der Gebäude erforderlich ist, damit die Wärmepumpen effizient eingesetzt werden können. Sinnvoll ist eine Sanierung der Keller (-decken), der obersten Geschossdecken oder Dächer sowie ein Austausch der Fenster. Zudem kann ein Austausch der Radiatoren erforderlich sein, um die Übertragungsfläche zu erhöhen. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die energetische Sanierung – auch bei ambitioniertem Sanierungsniveau – ein kosteneffizienter Weg ist, um CO2eq-Emissionen zu vermeiden.
Für eine Kommune, die sich das Ziel gesetzt hat die städtischen CO2eq-Emissionen zu reduzieren, ist es daher sinnvoll, sowohl die energetische Sanierung als auch die Nutzung von Abwasserwärme vo-ranzubringen und zu unterstützten.
In der Summe wird deutlich, dass der CO2-Preis und die bestehenden Förderungen wichtige Instru-mente für die Umsetzung von Wärmeversorgungskonzepten mit Abwasserwärme – auch in Bestands-quartieren – sind. Sie reichen aber nicht aus, um eine breite Umsetzung solcher Wärmekonzepte zu erreichen. Eine weiterführende Förderung durch das Land Berlin oder den Bund ist daher notwendig, um eine sozialverträgliche Umsetzung zu bezahlbaren Wärmepreisen zu ermöglichen.
Ein Pilotprojekt für die Integration von Abwasserwärme in ein Wärmeversorgungskonzept eines Be-standsgebietes wie den Klausenerplatz-Kiez kann die urbane Wärmewende voranbringen und zur Er-reichung der Ziele des Berliner Energie- und Klimaschutzprogrammes beitragen. Ein solches Projekt könnte eine Blaupause für viele andere Gebiete in Berlin sein.
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8 Anhang
Tab. 9: Angenommene Kalkulationszinssätze Quelle: (KfW 2018 und eigene Annahmen)
Akteure Misch-Zins
(real)
EK-Zins FK-Zins EK-Anteil
Private Haushalte 0,9 % 1,3 % 1,3 % 60 %
Hauseigentümer/innen 0,9 % 1,3 % 1,3 % 60 %
Contractor 3,0 % 6,0 % 4,0 % 20 %
Netzbetreiber 3,5 % 10,0 % 4,0 % 20 %
Öffentliche Hand 0,9 % 1,3 % 1,3 % 60 %
Gewerbe 3,0 % 6,0 % 4,0 % 20 %
Tab. 10: Brennstoffpreise
Quelle: (Bundesnetzagentur 2019; Stromnetz Berlin GmbH 2019; Netzgesellschaft Berlin Brandenburg 2019; Perner et al. 2018; DEPV 2019)
Brennstoff Abnahme-Ni-veau
Arbeitspreis energiebezogen
(Euro/kWh)
Grundpreis (Euro/a)
Leistungspreis (Euro/kW*a)
Erdgas Haushalte 0,061 171,01 0
Erdgas
Gewerbe/In-dustrie
0,044 0,00 5,21 bis 10,85*
Biomethan Haushalte 0,106 120,70 0
Biomethan
Gewerbe/In-dustrie
0,081 0,00 5,21 bis 10,85*
SynGas Haushalte 0,218 171,01 0
SynGas
Gewerbe/In-dustrie
0,169 0,00 5,21 bis 10,85*
Strom für Wärme-pumpen
Gewerbe/In-dustrie
0,153 0 69,5 bis 74,36**
Tab. 11: Angenommene Preisänderungsraten
Quelle: (VDI 2000; Destatis 2018; Destatis 2019; Bundesnetzagentur 2019; Perner et al. 2018 und eigene Annahmen)
Kostenposition Abnahme-Niveau
Jährliche Preisänderung bis zum Jahr…
2025 2035 2045
… Investitionsmittel - 0,60 % 0,60 % 0,60 %
… Betriebskosten - 1,60 % 1,60 % 1,60 %
… sonstige Kosten - 1,60 % 1,60 % 1,60 %
Erdgas Haushalte 2,30 % 1,90 % 1,60 %
Erdgas Gewerbe/Industrie 2,30 % 1,90 % 1,60 %
Biomethan Haushalte 1,45 % 1,20 % 1,00 %
Biomethan Gewerbe/Industrie 2,30 % 1,90 % 1,60 %
SynGas Haushalte -1,67 % -1,67 % -1,67 %
SynGas Gewerbe/Industrie -1,67 % -1,67 % -1,67 %
Strom für Wärmepumpen Gewerbe/Industrie 0,70 % 1,20 % 1,10 %
Kohle Gewerbe/Industrie 2,20 % 0,54 % 0,54 %
Biomasse Holzpellets Gewerbe/Industrie 0,80 % 0,25 % 0,80 %
Tab. 12: Investitions- und Betriebskosten der bewerteten Wärme- und Stromerzeugungsanlagen Quellenangaben finden sich in der letzten Spalte der Tabelle.
Wärmeerzeuger
Anlagenleistung thermisch (kW_th
oder m² BKF)
Anlagenleistung elektrische
(kWh_el)
Leistungs- spezifische Investitionskos-ten (Euro/kW_th)
Leistungs- spezifische Investitions Förderung (Euro/kWh_th)
Leistungs- spezifische Betriebskosten
(Euro/kW_th)
Datenquellen
BHKW Erdgas 50 34 1.457,60 87,19 76,46 (ASUE 2014)
BHKW Erdgas 100 68 1.142,80 27,78 64,29 (ASUE 2014)
BHKW Erdgas 150 102 982,47 0,00 47,11 (ASUE 2014)
BHKW Erdgas 600 409 700,62 0,00 37,56 (ASUE 2014)
Brennwertkessel Erdgas 100 0 188,10 0,02 3,79 (F:DATA GMBH 2019)
Brennwertkessel Erdgas 150 0 136,42 0,00 3,45 (F:DATA GMBH 2019)
Brennwertkessel Erdgas 1.000 0 67,48 0,00 1,35 (F:DATA GMBH 2019)
Photovoltaik Dach 0 30 900,00 0,00 22,50 (Kelm et al. 2018)
Photovoltaik Dach 0 100 900,00 0,00 22,50 (Kelm et al. 2018)
Solarthermie Flachdach/Röh-renkollektor
50 0 649,00 150,00 6,00 (Solar District Heating
2012; SolnetBW 2015)
Solarthermie Flachdach/Röh-renkollektor
300 0 625,00 141,67 3,13 (Solar District Heating
2012; SolnetBW 2015)
Solarthermie Flachdach/Röh-renkollektor
600 0 550,00 140,83 2,75 (Solar District Heating
2012; SolnetBW 2015)
Wärmepumpe Abwasser 500 0 1.235,58 432,45 17,74 (Pers. Mitteil. Berliner
Wasserbetriebe 2019)
Wärmeerzeuger
Anlagenleistung thermisch (kW_th
oder m² BKF)
Anlagenleistung elektrische
(kWh_el)
Leistungs- spezifische Investitionskos-ten (Euro/kW_th)
Leistungs- spezifische Investitions Förderung (Euro/kWh_th)
Leistungs- spezifische Betriebskosten
(Euro/kW_th)
Datenquellen
Wärmepumpe Abwasser 700 0 1.228,98 430,14 17,74 (Pers. Mitteil. Berliner
Wasserbetriebe 2019)
Wärmepumpe Abwasser 1.400 0 1.205,91 422,07 17,74 (Pers. Mitteil. Berliner
Wasserbetriebe 2019)