Wärmeversorgungssysteme mit saisonalen Wärmespeichern

Anna-Elisabeth Wollstein-Lehmkuhl

Wärmeversorgungssysteme mit saisonalen Wärmespeichern

expert verlag

Der vorliegende Band wurde durch die Fakultät Bauingenieurwesen der Technischen Universität Dresden als Dissertationsschrift Ganzheitliche Bewertung eines nachhaltigen Wärmeversorgungssystems mit saisonalem Wärmespeicher angenommen und am 19.07.2019 in Dresden verteidigt.

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ISBN 978-3-8169-3514-8 (Print)

ISBN 978-3-8169-0016-0 (ePub)

Inhalt

  Geleitwort

  Vorwort der Verfasserin

  Abkürzungsverzeichnis

 1 Einleitung1.1 Problemstellung und Relevanz der Arbeit1.2 Ziele und Abgrenzung der Arbeit1.3 Aufbau der Arbeit

 2 Theoretische Grundlagen2.1 Politische Rahmenbedingungen der Energiewende2.1.1 Internationale politische Instrumente2.1.2 Nationale politische Instrumente2.2 Wärmeversorgung in Deutschland2.2.1 Grundlagen2.2.2 Struktur der Wärmeabnehmer2.2.3 Energieträger im Wärmesektor2.2.4 Akteure und Betreiberkonzepte am Wärmemarkt2.2.5 Zusammenfassung zur Wärmeversorgung in Deutschland2.3 Wärmespeicher2.3.1 Grundlagen der Wärmespeicherung2.3.2 Systeme zur sensiblen Wärmespeicherung2.3.3 Anwendungsbeispiele von Behälterwärmespeichern2.3.4 Zusammenfassung der Grundlagen der Wärmespeicher2.4 Lebenszyklusphasen von Bauprojekten

 3 Untersuchungsmodell zum saisonalen Wärmespeicher3.1 Grundlagen von Entscheidungsmodellen und Zielstellungen3.2 Systemaufbau3.3 Berechnung und Dimensionierung der Gebäude3.4 Berechnung und Dimensionierung der Solarthermie und des saisonalen Wärmespeichers3.4.1 Dimensionierung der Kollektorfläche und des Speichervolumens3.4.2 Dimensionierung der Speichergeometrie3.4.3 Baukonstruktiver Aufbau des Wärmespeichers3.5 Stakeholder und Betreibermodell3.5.1 Wärmecontractor3.5.2 Gebäudeeigentümer3.5.3 Mieter3.6 Zusammenfassung und Ziel des Untersuchungsmodells

 4 Wirtschaftlichkeit von saisonalen Wärmespeichern4.1 Zielstellung4.2 Methodische Grundlagen und Ansätze der Untersuchung4.2.1 Ermittlung der Investitionskosten4.2.2 Kosten während der Nutzungsdauer4.2.3 Weitere Rahmenbedingungen4.2.4 Investitionsrechnung4.2.5 Untersuchung der Unsicherheiten4.2.6 Förderungsmaßnahmen4.3 Ergebnisse4.3.1 Investitionskosten4.3.2 Investitionsrechnung4.3.3 Sensitivitätsanalyse4.3.4 Förderungsmaßnahmen4.4 Zusammenfassung der Wirtschaftlichkeitsuntersuchung

 5 Soziale Akzeptanz saisonaler Wärmespeicher5.1 Zielstellung5.2 Theorien und Erklärungsmodelle5.2.1 Diffusionstheorie5.2.2 Markteintrittsbarrieren und -treiber5.2.3 Circle of Blame5.3 Methodik5.3.1 Untersuchungsablauf5.3.2 Stichprobe5.3.3 Durchführung der Untersuchung5.3.4 Kategorien des Interviewleitfadens5.3.5 Auswertung der Untersuchung5.4 Ergebnisse5.4.1 Kategorie 1: Sanierungsmaßnahmen Gebäude5.4.2 Kategorie 2: Dezentrale und nachhaltige Wärmeversorgung5.4.3 Kategorie 3: Nutzerzufriedenheit5.4.4 Kategorie 4: Entwicklung der Energieeffizienz und Marketing5.5 Zusammenfassung der Akzeptanzuntersuchung

 6 Ausblick auf die ökologische Bewertung saisonaler Wärmespeicher6.1 Zielstellung6.2 Methodik6.2.1 Grundlagen der Ökobilanz6.2.2 Wirkungskategorien und Wirkungsindikatoren6.3 Ergebnisse6.4 Zusammenfassung der ökologischen Bewertung

 7 Schlussbetrachtung7.1 Zusammenfassung7.2 Limitation der Arbeit7.3 Ausblick

 8 LiteraturverzeichnisMonografien und Aufsätze in FachzeitschriftenInternetquellenNormen und Regelwerke

  Anlage 1 – Interviewleitfaden

  Glossar

Geleitwort

Der Club of Rome hat mit der Veröffentlichung der Studie „Die Grenzen des Wachstums“ im Jahr 1972 einen Denkprozess eröffnet, indem er auf die Begrenzung der Ressourcen in der Welt hingewiesen hat. Diese Erkenntnisse verbinden sich zunehmend mit dem Konsens, dass die Klimaerwärmung durch die vom Menschen erzeugten CO₂-Emissionen maßgeblich bedingt ist. Die Reduktion der CO₂-Emissionen ist daher Bestandteil von zahlreichen klimapolitischen Zielen.

Nach Angaben des Bundesumweltamtes entfiel im Jahr 2018 über 28 % des Endenergieverbrauchs in Deutschland auf Haushalte. Davon wird etwa 85 % für die Erwärmung der Räume und für Warmwasser verwendet. Leider stammt nur etwa 15 % der dafür benötigten Primärenergie aus erneuerbaren Quellen. Somit erscheint es unumgänglich, auf nachhaltige Weise die in Haushalten benötigte Wärme zu erzeugen.

Die Bundesregierung fördert mit zahlreichen Maßnahmen die Reduktion des Energieverbrauchs in Häusern, zum Beispiele zur Wärmedämmung über das KfW-Programm „Energieeffizienz Sanieren“. Außerdem gibt es verschiedene Fördertöpfe für die Erneuerung der Heizanlagen zum Beispiel für den Einsatz von Wärmepumpen. Diese Maßnahmen erscheinen aber nicht ausreichend, um die erforderlichen CO₂-Reduktionen zu erreichen.

Erste Versuche, die zum Heizen und für die Warmwasserzubereitung benötigte Energie mittels Solarthermie zu gewinnen und in saisonalen Warmwasserbehältern zu speichern, können bis in die 1990er Jahren zurückverfolgt werden. Obwohl das Prinzip der saisonalen Wärmespeicherung relativ einfach erscheint, sind die konkreten technischen Herausforderungen bei der Umsetzung solcher Konzepte komplex und vielschichtig, so dass bisher nur relativ wenige Anlagen realisiert wurden. Besonders sensibel zeigen sich Konzepte der saisonalen Wärmespeicherung auch aus wirtschaftlicher Sicht, da Heizung und Warmwasser einen nicht unbeträchtlichen Anteil der Wohnnebenkosten ausmachen und somit die Erhöhung der Kosten für Heizung und Warmwasser vermieden werden sollte.

Mit der vorliegenden Arbeit widmet sich Frau Wollstein-Lehmkuhl einer nachhaltigen Wärmeversorgung mit saisonalen Warmwasserspeichern. Dabei betrachtet Frau Wollstein-Lehmkuhl solche Systeme aus ökologischer, ökonomischer und soziökonomischer Sicht.

Besonders interessant ist hierbei, dass Frau Wollstein-Lehmkuhl mit umfangreichen Berechnungen auf Grundlage von Vollständigen Finanzplänen nachweisen konnte, dass saisonale Warmwasserwärmespeicher auch wirtschaftlich darstellbar sind.

Es bleibt zu somit hoffen, dass insbesondere die Bundesregierung aber auch Wohnungsbaugesellschaften erkennen, dass sich solche Systeme für Heizung und Warmwasser als Alternative für konventionelle Systeme, die zu CO₂-Emissionen führen, darstellen. Es wäre somit wünschenswert, dass umfangreiche Fördergelder bereitgestellt werden und konkrete Projekte realisiert werden, um zunehmend Erfahrungen bei solchen Systemen zu gewinnen.

Dresden, im März 2020 Univ.-Prof. em. Dr.-Ing. Rainer Schach

Vorwort der Verfasserin

Der Einsatz von erneuerbaren Energien im Wärmesektor gewinnt im Zuge der Energiewende zunehmend an Bedeutung. Jedoch erschwert die starke Volatilität nachhaltiger Energieträger eine versorgungssichere Wärmebereitstellung. Der Einsatz von saisonalen Wärmespeichern kann Schwankungen teilweise ausgleichen. Die Entkopplung von Wärmeerzeugung und Wärmeverbrauch ermöglicht eine dezentrale und nachhaltige Wärmeversorgung mit erneuerbaren Energien.

Die wärmetechnische Versorgung durch solarthermisch betriebene saisonale Wärmespeicher steht dabei in direkter Konkurrenz zu anderen Wärmeversorgungssystemen. Durch die dezentrale Struktur des Wärmemarktes ist die optimale Anpassung an die Anforderungen der Stakeholder essentiell. In einer zukunftsfähigen Beurteilung müssen nach heutigen Standards die drei Dimensionen der Nachhaltigkeit berücksichtigt werden. Projekte müssen ganzheitlich und langfristig unter den Aspekten Ökologie, Ökonomie und sozialer Verträglichkeit initiiert werden.

Die vorliegende Arbeit wählte daher einen interdisziplinären Ansatz zur Bewertung eines dezentralen solarthermisch betriebenen saisonalen Wärmespeichers zur Wärmeversorgung von Wohngebäuden. Die Einflüsse von ökonomischen, sozialen und ökologischen Parametern auf die Marktfähigkeit saisonaler Behälterwärmespeicher wurden untersucht.

Die Arbeit entstand im Rahmen meines Promotionsstipendiums am Boysen-TU Dresden-Graduiertenkolleg. Ein besonderer Dank gilt meinem Doktorvater und erstem Gutachter Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Rainer Schach, der mich während dieser Zeit bei der Umsetzung meiner Promotion immer unterstützt hat und mir in vielen Gesprächen konstruktiv zur Seite stand.

Weiterhin möchte ich Herrn Professor Dr. Lutz M. Hagen vom Institut für Kommunikationswissenschaften der TU Dresden und Herrn Professor Dr.-Ing. Jörn Krimmling von der HTW Dresden für die Bereitschaft zur Begutachtung meiner Arbeit danken. Darüber hinaus möchte ich mich bei allen Angehörigen und Mitarbeitern des Boysen-TU Dresden-Graduiertenkollegs und der Friedrich und Elisabeth Boysen-Stiftung für die Förderung meines Promotionsvorhabens bedanken. Insbesondere danke ich auch den Kolleginnen und Kollegen am Institut für Baubetriebswesen für die kollegiale Zusammenarbeit und fachliche Unterstützung. Schließlich danke ich meiner Mutter, die mich stets ermutigt hat, Sachverhalte kritisch zu hinterfragen und mich in allen Lebenslagen unterstützt hat.

Mein besonderer Dank gilt meinem Ehemann Andreas für die Freiheit, Motivation und Rückendeckung bei diesem besonderen Vorhaben.

Dresden, im März 2020 Anna-Elisabeth Wollstein-Lehmkuhl

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemstellung und Relevanz der Arbeit

Der Einsatz von erneuerbaren Energien im Wärmesektor gewinnt im Zuge der Energiewende und einer Fokussierung auf den Klimaschutz zunehmend an Bedeutung. Die Relevanz dessen und eine mögliche Umsetzung einer nachhaltigen Wärmeversorgung mit saisonalen Wärmespeichern sollen im Rahmen dieser interdisziplinären Arbeit untersucht werden.

Die Treibhausgase in der Atmosphäre sind seit Beginn der Industrialisierung angestiegen. Seitdem wurden verstärkt fossile Energieträger genutzt, welche zu dem derzeitigen Klimawandel beitragen. Dieser zeigt sich unter anderem in Extremwettererscheinungen und der globalen Erderwärmung.1

Durch internationale und nationale Bestrebungen, zum Beispiel durch das Pariser Klimaschutzabkommen oder den Klimaschutzplan 2050 in Deutschland, soll der Klimawandel retardiert werden. Ziel ist es unter anderem, die Treibhausgasemissionen zu senken und die Erderwärmung auf 2 °C zu begrenzen.2 Im Klimaschutzplan der Bundesrepublik Deutschland sind dafür verschiedene Maßnahmen definiert worden. Dazu gehören beispielsweise der Ausbau der Windenergie, die Förderung von Speichertechnologien oder der Ausbau der Stromnetze sowie die „stärkere[n] Nutzung der erneuerbaren Energien für die Erzeugung von Wärme“.3 Ein Faktor dabei ist der klimaneutrale Gebäudebestand, welcher die Effizienz der Gebäude betrifft.4 Die Klimaschutzziele können jedoch langfristig nicht nur durch die Reduktion des Energiebedarfs der Gebäude erreicht werden.5 „Es ist weder realistisch noch kosteneffizient, die Klimaschutzziele im Gebäudesektor ausschließlich über Effizienzmaßnahmen anzustreben. Ohne eine dynamische Zunahme der erneuerbaren Energien im Wärmesektor würden die Kosten für die dann zusätzlich erforderlichen Effizienzmaßnahmen erheblich steigen. Funktionsfähige Instrumente zur Durchsetzung der dann notwendigen, sehr weitgehenden Effizienz-Maßnahmen im Gebäudebestand sind zudem nicht ersichtlich.“6

Der Wärmebedarf in Deutschland hat einen Anteil von über 50 % am Endenergieverbrauch.7 Der Anteil von regenerativen Energieträgern bei der Wärmeerzeugung ist jedoch gering. Im Jahr 2016 stammten nur etwa 0,5 % der Nettowärmeerzeugung8 aus regenerativen Energieträgern.9 Der Anteil an erneuerbaren Energien für den Endenergieverbrauch bei Wärme beträgt circa 13 %, jedoch stagniert dieser Wert seit mehreren Jahren.10 Beim Einsatz von erneuerbaren Energien lassen sich sektorenübergreifende Probleme identifizieren. Die starke Volatilität dieser Energieträger erschwert eine versorgungssichere Wärmebereitstellung.11 Diese Problematik wird in Abbildung 1-1 in Bezug auf solare Energie verdeutlicht. Der Wärmebedarf in Gebäuden ist im Winter, während der Heizperiode, am größten. Die solare Einstrahlung und damit die solarthermischen Wärmegewinne sind jedoch im Sommer maximal.

Abbildung 1-1:

Unterschied Wärmebedarf und solare Strahlung pro Jahr12

Der Einsatz von saisonalen Wärmespeichern kann diese Differenz minimieren. Die Entkopplung von Wärmeerzeugung und Wärmeverbrauch ermöglicht eine dezentrale und nachhaltige Wärmeversorgung mit erneuerbaren Energien.13

Die wärmetechnische Versorgung durch solarthermisch betriebene saisonale Wärmespeicher steht dabei in direkter Konkurrenz zu anderen Wärmeversorgungssystemen, wie beispielsweise Gasbrennwertkessel, Wärmepumpen oder der Fernwärmeversorgung. Durch die dezentrale Struktur des Wärmemarktes ist die optimale Anpassung an die Anforderungen der Stakeholder essentiell.14 Die Entscheidungsfindung für eine Investition unterliegt einer Vielzahl von Annahmen und Rahmenbedingungen. Die Homogenität und der Wissensstand der Akteure sind dabei nur beispielhaft zu nennen.15

In einer zukunftsfähigen Beurteilung müssen nach heutigen Standards die drei Dimensionen der Nachhaltigkeit berücksichtigt werden. Projekte müssen ganzheitlich, langfristig und global unter den Aspekten Ökologie, Ökonomie und sozialer Verträglichkeit initiiert werden.16

Dieser Ansatz lässt sich auf Bauprojekte und Wärmeversorgungssysteme übertragen. Ökologische Faktoren, wie zum Beispiel Schadstoffemissionen oder Primärenergieverbrauch, werden teilweise durch gesetzliche Rahmenbedingungen vorgegeben. Die Wirtschaftlichkeit der Investition muss die Investitionskosten sowie die zukünftigen Kosten durch die Nutzung und den Betrieb einbeziehen. Überdies muss das technische System gesellschaftlich, sowohl vom Investor17 als auch von den Nutzern,18 akzeptiert werden. Für den konkurrenzfähigen Bau und Betrieb saisonaler Wärmespeicher müssen diese Aspekte berücksichtigt werden.