Technisches Versorgungskonzept zur Erreichung ambitionierter Energieziele

Kommunale Klimaschutzkonzepte und Energienutzungspläne enden üblicherweise mit der Ausweisung von Potenzialgebieten für netzgebundene Wärmeversorgung und einer groben pauschalisierten Kostenschätzung. Bei der im Maßnahmenkatalog beschriebenen Umsetzung bleiben konzeptionelle und technische Fragen offen. Zum Beispiel:

• Wie mache ich das beschriebene Potenzial tatsächlich nutzbar?
• Welche Wärmeerzeugung ist sowohl aus nachhaltiger als auch aus technischer Sicht die Sinnvollste?
• Welche Standorte für Wärmeerzeuger sind umsetzbar?
• Wie setze ich die Wärmeverteilung technisch um?

Aus diesem breiten Fragenspektrum ergibt sich eine Vielzahl von möglichen Konzeptvarianten, die jede für sich sinnvoll sein kann.

In diesem Zusammenhang benötigen kommunale Entscheidungsgremien eine detailliertere individuell für die jeweiligen Potenzialgebiete durchgeführte technische Ausarbeitung von entsprechenden Versorgungskonzepten, die einen Vergleich auf ökologischer, ökonomischer und sozialer Basis ermöglicht.

Die bayerische Gemeinde Vaterstetten liegt östlich von München im oberbayerischen Landkreis Ebersberg. Mit ca. 23.000 Einwohnern ist Vaterstetten eine der bevölkerungsreichsten Gemeinden Bayerns. Die Gemeinde hat sich zum Ziel gesetzt, ihre Wärme- und Stromversorgung möglichst vollständig aus erneuerbarer Energie zu decken. Aktuell werden mehrere Insel-Wärmenetze umgesetzt. Perspektivisch soll die gesamte Ortschaft über Fernwärme versorgt werden.

Die aktuelle Wärmeversorgung der bereits umgesetzten Wärmenetze erfolgt über konventionelle Kraft-Wärme-Kopplung. Um die gesteckten Ziele der Energieversorgung über erneuerbare Energien zu erreichen, soll im Zuge des weiteren Netzausbaus auch der Anteil der Energieerzeugung aus erneuerbaren Energien erhöht werden. Als Entscheidungsgrundlage benötigt die Gemeinde jedoch eine Konzeptplanung, die für das langfristige Ziel des Einsatzes erneuerbarer Energien sowohl technische als auch wirtschaftliche Lösungen darstellt.

Vor diesem Hintergrund hat die Gemeinde in Zusammenarbeit mit der Team für Technik GmbH, München, ein technisches Energieversorgungskonzept erstellt, das unter Betrachtung von technischen und wirtschaftlichen Möglichkeiten eine Energieversorgung auf Basis von erneuerbaren Energien für den Ortsteil Vaterstetten abbildet. Die zu erstellende Konzeptplanung baut dabei auf dem bestehenden integrierten Klimaschutzkonzept der Gemeinde Vaterstetten, dem Energienutzungsplan des Landkreises Ebersberg und einem Vorkonzept des Arbeitskreises Energiewende Vaterstetten auf.

Um die technische Konzeptplanung für Energieversorgungskonzepte auf eine fundierte Basis zu stellen, ist eine möglichst detaillierte Kenntnis des aktuellen Energiebedarfs sowie der Struktur der Wärmeabnehmer notwendig. Im Fall des vorliegenden Projekts kann hierfür das bereits vorhandene Wärmekataster genutzt werden. Wärmeabnehmer, die seit der Erstellung des Wärmekatasters zwischenzeitlich noch nicht erfasst wurden, werden ergänzt. Aus den so dokumentierten Wärmeabnehmern kann für das Untersuchungsgebiet ein aktueller Wärmeenergiebedarf von ca. 80.000 MWh/a ermittelt werden. Die durchschnittliche Wärmebedarfsdichte im Untersuchungsgebiet beträgt aktuell ca. 510 MWh/(ha a).

Um bei der Auslegung der Wärmeerzeugung und -verteilung bereits die Entwicklungen bis zum Jahr 2030 zu berücksichtigen, wurde ein realistisches Szenario für die Entwicklung des Wärmebedarfs angesetzt. Hierfür werden zukünftig umgesetzte Baugebiete und eine allgemeine Nachverdichtung der bestehenden Bebauung berücksichtigt. Zusätzlich muss mit Einsparungen beim Wärmebedarf durch Sanierung des Gebäudebestands gerechnet werden. So ergibt sich für das Jahr 2030 ein Wärmeenergiebedarf von ca. 63.000 MWh/a und eine durchschnittliche Wärmebedarfsdichte von ca. 400 MW/(ha a).

Wärmeerzeugung

Aufbauend auf einer Darstellung des Potenzials, der im Untersuchungsgebiet zur Verfügung stehenden Energieressourcen, werden Konzepte zur Wärmeerzeugung entwickelt. Diese sind an den für 2030 ermittelten Energiebedarf bei einer angestrebten Anschlussquote von 70 % (43.300 MWh/a) angepasst. Dabei wird, um bereits bestehende konventionelle Wärmeerzeugungsanlagen in das Konzept integrieren zu können, der Zielwert des Anteils an erneuerbaren Energien an der netzgebundenen Wärmeerzeugung auf mindestens 75 % bis 2030 festgelegt.

Nach einer wirtschaftlichen Vorbewertung unterschiedlicher Erzeugungskonzepte werden folgende Wärmeerzeugungsvarianten weiter untersucht (siehe Bild 3):

1. Variante Biomasse

Diese Variante zeichnet sich durch den hohen Anteil der Wärmeerzeugung über Biomasse KWK aus. Der Beitrag der Wärmepumpen stammt aus einer Wärmepumpenanlage, die den bestehenden Grundwasserbrunnen des Seniorenwohnparks nutzt.

2. Variante Wärmepumpe

Das Erzeugungskonzept „Wärmepumpe“ schöpft das ermittelte Potenzial der Nutzung des Grundwassers als Energiequelle mittels Wärmepumpen voll aus. Weiter wird ein mittlerer solarer Deckungsgrad angestrebt.

3. Variante Solar

Ziel der Variante Solar ist ein möglichst geringer Anteil der Wärmeerzeugung aus fester Biomasse. Durch einen hohen solaren Deckungsgrad von 20 % kann bei gleichzeitiger voller Ausschöpfung des Potenzials der Nutzung des Grundwassers mittels Wärmepumpen der Anteil der Komponente „Biomasse KWK“ auf 13 % verringert werden.

Der Anteil der Wärmeerzeugung aus Biogas stammt bei allen drei Varianten von einer angrenzenden bestehenden Biogasanlage. Dabei werden die in zwei Varianten angestrebten hohen solaren Deckungsgrade über dezentrale Großanlagen und eine Freiflächenanlage außerhalb des Siedlungsgebiets erreicht. Die über die Wärmepumpen erzeugten Wärmemengen der Erzeugungsvarianten 2 und 3 soll über insgesamt sieben gleichmäßig im Netzgebiet verteilte dezentrale Anlagen erfolgen. Bei allen Wärmepumpenanlagen wird als Wärmequelle Grundwasser genutzt.

Wärmeverteilung

Zur Verteilung der Wärme wurden für alle drei Erzeugungsvarianten auch drei Verteilungsvarianten betrachtet:

1. Konventionelles Zweileiter-Niedertemperaturnetz

(VL: 75 °C/RL: 45 °C)

2. Innovatives Zweileiter-Niedertemperaturnetz

(VL 50 °C/RL: 30 °C)

3. Innovatives Dreileiter-Netz

(VL 70 °C/VL 45 °C/RL 35 °C).

Die Umsetzung der innovativen Netzvarianten 2 und 3 ist mit einem im Vergleich zu Netzvariante 1 höheren Investitionsaufwand verbunden. Die niedrigen Vorlauftemperaturen der innovativen Netzvarianten 2 und 3 ermöglichen jedoch einen effizienten Einsatz der in den Erzeugungsvarianten eingesetzten Wärmepumpen und thermischen Solaranlagen. Dies wirkt sich entsprechend positiv auf die Wärmegestehungskosten und Primärenergiefaktoren dieser Netzvarianten aus.

Grundlage des Einsatzes der innovativen Niedertemperatur-Netzvarianten 2 und 3 ist eine Analyse der in den jeweiligen Siedlungsgebieten vorherrschend benötigten Vorlauftemperaturen für die Beheizung der Gebäude. Dabei wird davon ausgegangen, dass durch energetische Sanierungen im Gebäudebestand viele Gebäude überdimensionierte Heizflächen besitzen bzw. Flächenheizungen eingesetzt werden, wodurch mit niedrigen Temperaturen beim Heizwärmebedarf zu rechnen ist. Insgesamt konnten im Untersuchungsgebiet 60 % der Fläche als für diese innovativen Netzvarianten geeignet identifiziert werden. Den beiden innovativen Netztypen ist die konventionelle Niedertemperatur-Wärmeverteilung (siehe 1.) vorgelagert. Die Versorgung in den Siedlungsgebieten, die allgemein hohe Vorlauftemperaturen benötigen, erfolgt in sämtlichen untersuchten Varianten über die betrachtete herkömmliche Niedertemperatur-Wärmeverteilung.

Den Vergleich nicht scheuen

Ausgehend von der Auslegung der einzelnen Wärmeerzeuger in den jeweiligen Erzeugungsvarianten und einer Grobdimensionierung der Haupttrassen der Wärmeverteilung werden die Investitions-, Betriebs-, Wartungs- sowie Energiekosten der Energieversorgungskonzepte ermittelt. Darauf aufbauend wird, unter Berücksichtigung eines Umsetzungsplans bis 2030, die Wirtschaftlichkeit der Wärmeversorgung dynamisch über einen Zeitraum von 30 Jahren betrachtet und Wärmegestehungskosten berechnet.

Als Ergebnis der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wird festgestellt, dass unter üblichen Rahmenbedingungen und mit üblichen Wärmepreisen am Ende eines 30-jährigen Betrachtungszeitraums alle Kombinationen aus Wärmeerzeugung und Netzvarianten positive Kapitalwerte aufweisen. Die Berechnung der Wärmegestehungskosten zeigt, dass die Kosten für die Wärmegestehung über übliche Wärmemischpreise gedeckt werden können.

Die niedrigsten Wärmegestehungskosten werden bei der Erzeugungsvariante „Biomasse“ mit Netzvariante 1 (Zwei-Leiternetz, 75 °C Vorlauftemperatur) erreicht. Gegen diese Variante spricht jedoch, dass das im Landkreis Ebersberg ermittele Potenzial an zur Verfügung stehender holzartiger Biomasse zu gering ist, um eine entsprechend große Biomasseanlage zu betreiben und zusätzlich Biomasse von außerhalb des Landkreises zugekauft werden müsste. Allgemein sind die Wärmegestehungskosten der Variante „Solar“ niedriger als die der Variante „Wärmepumpe“.

Die Wärmeverteilungsvariante „Dreileiter-Netz“ besitzt allgemein die höchsten Wärmegestehungskosten. Die Wärmegestehungskosten der Netzvariante „Zweileiter-Niedertemperaturnetz“ decken sich bei den Wärmeerzeugungsvarianten „Wärmepumpe“ und „Solar“ mit den Wärmegestehungskosten des Zweileiter-Hochtemperaturnetzes.

Im Rahmen des Energieversorgungskonzepts wurden die eingesparten CO₂-Emissionen gegenüber einer vergleichbaren Wärmeerzeugung, die auf konventioneller Kraft-Wärme-Kopplung beruht, berechnet. Die geringsten Einsparungen werden bei der Erzeugungsvariante „Biomasse“ erreicht (ca. 7.000 t/a), die höchsten bei der Erzeugungsvariante „Solar“ beim Einsatz von Niedertemperaturnetzen (ca. 7.550 t/a). Generell werden bei den Erzeugungsvarianten mit hohem Wärmepumpenanteil (Varianten „Biomasse“ und „Solar“) durch den Einsatz von Niedertemperaturnetzen ca. 200 t/a an CO₂-Emissionen eingespart.

Fazit

Die technische Konzeptplanung am Beispiel Vaterstetten zeigt, dass es möglich ist, ambitionierte Energieversorgungsziele technisch und wirtschaftlich umzusetzen. Es zeigt sich auch, dass mehrere unterschiedliche Versorgungskonzepte sinnvoll sein können. Um letztlich eine Entscheidung treffen zu können, unter welcher Zielstellung Energieversorgungskonzepte umgesetzt werden sollen, ist es sinnvoll, mögliche Varianten eines Energieversorgungskonzepts im Rahmen einer technischen Konzeptplanung technisch auszuarbeiten und auf dieser Basis zu vergleichen.