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2012-02

Solarthermie

Abbildung 1: Biomassenahwärmeanlage Gleinstätten, Steiermark - 1.315 m² Kollektorfläche unterstützen die Biomasseheizanlage mit insgesamt 2,4 MW. (Quelle: Nahwärme Gleinstätten)

In Österreich sind derzeit etwa 9.000 Biomassenahwärmenetze mit einer Summenleistung von ca. 5.100 MW in Betrieb [1]. Obwohl Biomasse ein nachwachsender Rohstoff ist, ist diese Ressource einerseits nicht unbegrenzt und andererseits nicht dauerhaft kostengünstig verfügbar.In diesem Zusammenhang stellt sich verstärkt die Frage, welche Chancen und Potenziale der Einsatz von thermischen Solarsystemen in Verbindung mit Biomassenahwärmenetzen bietet.

Solarunterstützte Biomassenahwärmenetze – eine sinnvolle Kombination zweier erneuerbarer Energieformen

Von Johann Breidler, Christian Fink und Franz Promitzer*

In Bezug auf die Netzleistung sind rund 1.000 Anlagen der 9.000 Biomassenahwärmenetze größer als 1 MW. Deshalb ist der Aspekt der Verfügbarkeit von Biomasse in ausreichender Menge sowie Qualität sowohl für den Betrieb bestehender Anlagen als auch für die Neuerrichtung bzw. die Erweiterung von Biomassenahwärmenetzen von entscheidender Bedeutung. Obwohl bereits einige Projekte auf Basis der Kombination von thermischer Solarenergie mit Biomasse umgesetzt wurden, liegt hier noch erhebliches Umsetzungspotenzial für die Solarthermie brach. Die Hintergründe für die diesbezügliche Zurückhaltung sind vielfältig, wie z.B. Organisationsstrukturen und Interessen von Betreibergesellschaften, wirtschaftliche Rahmenbedingungen (Hackgutpreis in der Vergangenheit, Fördersituation) als auch Wissensdefizite hinsichtlich der Auswirkung von Solarsystemen auf Kesselnutzungsgrade, Emissionen, Betriebskosten und Kessellebensdauer. Mit dem Ziel, die angesprochenen Wissensdefizite auf Basis quantifizierbarer Systemvergleiche auszuräumen, starteten die beiden klima:aktiv Programme (klima:aktiv ist die Klimaschutzinitiative des Österreichischen Lebensministeriums)„erneuerbare wärme“ und „qm heizwerke“ (Qualitätsmanagement Heizwerke) im letzten Jahr eine Kooperation. Die nunmehr vorliegenden Ergebnisse ermöglichen eine Beurteilung unter welchen Rahmenbedingungen (Netzleistung, Ein- und Mehrkesselanlage, Öl/Gas Spitzenlast- bzw. Schwachlastkessel, Lastmanagement, Zündungsverhalten, etc.) der Einsatz einer thermischen Solaranlage die gesamte Wärmeversorgungsanlage in technischer (Kesselnutzungsgrade), ökologischer (Emissionen) als auch ökonomischer Hinsicht (gesamte Wärmegestehungskosten) beeinflusst.

Definition von repräsentativen Netzleistungen und Wärmeerzeugungsanlagen

Basierend auf der im Rahmen des klima:aktiv Programms „qm heizwerke“ (Qualitätsmanagement Heizwerke) erarbeiteten umfassenden Datenbank zu Heizwerken unterschiedlicher Größenordnung, wurden hinsichtlich Netzleistung zwei repräsentative Heizwerksgrößen definiert. Unter Berücksichtigung der real auftretenden Häufigkeiten und üblicher technischer Ausführungsstandards fiel die Entscheidung bezüglich repräsentativer Netzleistungen schlussendlich auf Anlagen mit 2 MW und 0,5 MW Leistung. Hierzu standen aus der Datenbank von „qm heizwerke“ hoch aufgelöste Messwerte betreffend Netzleistung und Netztemperaturen zur Verfügung.Im Falle der Netzleistung wurden Stundenmittelwerten generiert. In weiterer Folge galt es die Jahreshäufigkeiten der auftretenden Netzleistungen zu bestimmen und entsprechend einer Jahresdauerlinie geordnet darzustellen.

Abbildung 2: Jahresdauerlinie des 2 MW-Heizwerks - beispielhaft dargestellt für Variante 1 der Kesselbelegungen und Kesselbetriebsweisen inklusive der Leistungen aus drei unterschiedlich großen Solarsystemen (Stundenmittelwerte).

Wie aus der Jahresdauerlinie des 2 MW Heizwerks (beispielhaft in Abbildung 2 dargestellt) deutlich ersichtlich, ist die vom Netz geforderte Leistung einer enormen Bandbreite unterworfen, was insbesondere im Sommerbetrieb bzw. in der Übergangszeit Leistungen unter 30% der Nennleistung bedeutet. Um hier in der Praxis möglichst hohe Nutzungsgrade der Wärmeversorgungsanlagen zu erreichen, werden häufig Mehrkesselanlagen (Hackgutkessel aber auch Spitzen- und Schwachlastkessel auf Basis Öl und Gas) installiert. Basierend auf der Datenbank von „qm heizwerke“ musste aber festgestellt werden, dass auch im Teillastbetrieb nachteilige Einkesselanlagen (Hackgutkessel mit erhöhtem Brennstoffverbrauch und erhöhten Emissionen) installiert sind, bzw. auch bei Neuanlagen zur Umsetzung gelangen. Für quantifizierbare Systemvergleiche wurden die in der Praxis relevanten Kesselbelegungen (Zusammensetzung der Wärmeerzeugungsanlagen) für die repräsentativen Netzleistungen 2 MW und 0,5 MW definiert (siehe Tabelle 1) und die Betriebszeiten in idealisierter Form in Verbindung mit der Jahresdauerlinie dargestellt (siehe hierzu die beispielhafte Darstellung einer Mehrkesselanlage inkl. Kondensationsanlage in Abbildung 2).
Ergänzt wurden die unterschiedlichen Kesselbelegungen mit jeweils drei unterschiedlich großen thermischen Solaranlagen (Eckdaten siehe Tabelle 1) und unterschiedlich hohen solaren Sommerdeckungsgraden (ca. 15, 30 und 65%, simuliert in T*SOL). Die Stundenmittelwerte der erreichbaren Leistungen aus den Solarsystemen sind für das 2 MW Heizwerk (500 m², 1.000 m² und 3.000 m² Bruttokollektorfläche) in Abbildung 2 dargestellt.

Tabelle 1: Zusammenfassung der verglichenen Kesselbelegungsvarianten in Verbindung mit drei unterschiedlich großen Solarsystemen anhand der beiden repräsentativen Heizwerkgrößen

Basierend auf den so definierten Wärmeerzeugungsanlagen wurden vergleichende Untersuchungen hinsichtlich Kesselnutzungsgraden, Emissionen und gesamter Wärmegestehungskosten durchgeführt und nachfolgend die Ergebnisse dargestellt.

Ergebnisse in Bezug auf Kesselnutzungsgrade

Basierend auf Zusammenhängen zwischen Wirkungsgradverlauf und Kesselleistung wurden für die jeweiligen Kesselbelegungen und Betriebsweisen die Stundenwerte der jeweiligen Kesselwirkungsgrade (mit und ohne Solaranlage) bestimmt sowie in weiterer Folge auf den Nutzungsgrad der gesamten Wärmeversorgungsanlagen hochgerechnet. Um dabei den Kesselbetriebsbedingungen in der Praxis zu entsprechen, wurden in Ergänzung zu Normbetriebsbedingungen auch ungünstige Betriebsbedingungen behandelt. Erfahrungen hierzu zeigen, dass durch Brennstoffe mit hohem Rindenanteil, häufigen Lastwechseln, ungünstigem Kesselmanagement, etc. der Kesselnutzungsgrad um bis zu 10% reduziert ausfallen kann. Für die gegenständlichen Untersuchungen wurde hierfür eine Bandbreite an möglichen Wirkungsgraden (günstige und ungünstige Betriebsbedingungen) definiert und in den nach¬folgenden Abbildungen als schraffierte Fläche dargestellt.
Anhand der Ergebnisse für das 2 MW Heizwerk (Abbildung 3) und für das 0,5 MW Heizwerk (Abbildung 4) wird deutlich, dass die Kesselbelegung unabhängig von der Installation eines Solarsystems einen zentralen Einfluss auf den Sommernutzungsgrad (Juni bis August) der gesamten Wärmeversorgungsanlage besitzt. Für das 2 MW Heizwerk zeigen die Varianten 1, 2 und 4 hier mit einem an den Sommerbedarf angepassten Kesselsystem (selbstzündender Hackgutkessel bzw. einem Ölkessel als Schwachlastkessel) die günstigsten Nutzungsgrade. Variante 3 zeigt hier aufgrund der Ausführung als Einkesselanlage erhebliche Einbrüche beim Nutzungsgrad, weshalb eine derartige Ausführung grundsätzlich nicht zu empfehlen ist. Deutlich wird auch, dass ein gewisser Einfluss von Solarsystemen auf den Sommernutzungsgrad der Wärmeversorgungsanlage gegeben ist. In Abhängigkeit der Kesselbelegung und der Solarsystemgröße kann dies zu erhöhten als auch gesenkten Nutzungsgraden führen. Die als Einkesselanlage ausgeführte Variante 3 zeigt hier aufgrund des grundsätzlich schlechten Teillastverhaltens (blauer Balken) und aufgrund der Verschärfung dieser Problematik durch ein Solarsystem (roter, grüner und gelber Balken) als einzige Variante eine wesentliche Reduktion des Kesselnutzungsgrades im Sommer. Trotzdem sparen die Solaranlagen in dieser Variante Brennstoff ein und vermeiden Emissionen.
Übers gesamte Jahr betrachtet, reduziert sich in Variante 3 der negative Effekt der Einkesselanlage in den Schwachlastzeiten erheblich, liegt aber immer noch bei etwa 10% geringeren Jahresnutzungsgradenim Vergleich mit den Varianten 1, 2 und 4 (mit und ohne Solaranlage).

Abbildung 3: Veränderung der Sommernutzungsgrade der gesamten Wärmeerzeugungsanlage „2 MW Heizwerk“ (Juni bis August) in Abhängigkeit von vier verschiedenen Kesselbelegungen und dreier unterschiedlich großer Solarsysteme (blauer Balken: ohne Solarsystem; roter, grüner und gelber Balken mit unterschiedlich großer Solaranlage)

Für das 0,5 MW Heizwerk zeigen sich ähnliche Grunderkenntnisse (Abbildung 4). Eine deutlich stärkere Sensitivität zeigt sich hingegen beim Einfluss von Solarsystemen auf den Sommernutzungsgrad. Der Grund hierfür ist, dass in allen drei Varianten selbstzündende Hackgutkessel verwendet werden und durch die Solaranlagen ein Teillastbetrieb stark reduziert werden kann, was sich in verbesserten Sommernutzungsgraden im Vergleich zu den Varianten ohne Solaranlage (blauer Balken) zeigt. Übers gesamte Jahr betrachtet, reduziert sich der Nutzungsgradunterschied zwischen den drei Varianten ohne Solaranlage auf rund 4%. Die Varianten mit Solaranlage zeigen immerhin noch einen Jahresnutzungsgradvorteil von bis zu 3%.

Abbildung 4: Veränderung der Sommernutzungsgrade der gesamten Wärmeerzeugungsanlage „0,5 MW Heizwerk“ (Juni bis August) in Abhängigkeit von drei verschiedenen Kesselbelegungen und dreier unterschiedlich großer Solarsysteme (blauer Balken: ohne Solarsystem; roter, grüner und gelber Balken mit unterschiedlich großer Solaranlage)

Ergebnisse in Bezug auf Schadstoffemissionen

Basierend auf den im Jahresverlauf auftretenden Leistungen (Stundenmittelwerte) der einzelnen Wärmeerzeugungsanlagen (Emissionsmessungen für Leistungen über 30% der Nennleistung aus der „qm heizwerke“ Datenbank bzw. gesetzliche Grenzwerte für Leistungen unter 30% der Nennleistung inkl. Gluterhalt), den bestimmten Jahresnutzungsgraden (Brennstoffverbrauch) sowie der Art des Brennstoffs wurden anhand der unterschiedlichen Kesselbelegungen für das 2 MW und 0,5 MW Heizwerk Berechnungen zu den jeweiligen Schadstoffemissionen durchgeführt. Untersucht wurden die Emissionen Staub, NO_x, CO, C_xH_y und CO₂.
Die Emissionsberechnungen zeigten sowohl für das 2 MW Heizwerk als auch für das 0,5 MW Heizwerk in allen Varianten signifikante Reduktionen der Schadstoffemissionen. Dies kann durch die vom Solarsystem erzielten Brennstoffeinsparungen (zum überwiegenden Teil), durch vermiedenen Teillastbereich in Schwachlastzeiten und durch die teilweise vom Solarsystem gesteigerten Nutzungsgrade der jeweiligen Wärmeversorgungsanlagen erklärt werden.

Ergebnisse in Bezug auf die Wärmegestehungskosten

Für wirtschaftliche Vergleiche wurde eine dynamische Investitionsrechnung durchgeführt. Als Methode wurde die Barwertmethode angewendet, wobei neben den Investitionskosten auch verbrauchs- und betriebsgebundene Kosten berücksichtigt wurden. Als Ziel- und Vergleichsgröße wurden die Wärmegestehungskosten (kumulierter Barwert pro ins Netz eingespeister Wärmemenge in €/kWh über einen Zeitraum von 25 Jahren) gewählt, da hiermit sämtliche Auswirkungen der verschiedenen Kesselbelegungen und der unterschiedlichen Solaranlagengrößen berücksichtigt werden können. Die Schnittstelle der wirtschaftlichen Betrachtung wurde mit der Übergabe an das Wärmenetz definiert.
Die Ergebnisse hierzu haben gezeigt, dass Heizwerke mit Solarsystemen auch hinsichtlich der Wärmegestehungskosten durchwegs konkurrenzfähig sind. Abbildung 5 zeigt hierzu beispielhaft die Wärmegestehungskosten für sämtliche Wärmeversorgungsvarianten des 2 MW Heizwerkes. Deutlich wird, dass die Wärmegestehungskosten durch Solarsysteme gesenkt werden können, wenn in der Schwachlastzeit vorzugsweise fossile Energieträger (Öl und Gas) substituiert werden (Variante 2 und 4). Wenn überwiegend Hackgut in Verbindung mit selbstzündenden Schwachlastkesseln ersetzt wird (Variante 1), können die Wärmegestehungskosten kostenneutral gehalten werden. Alleine in Variante 3, in der Hackgut in Verbindung mit einer Einkesselanlage substituiert wird, steigen die Wärmegestehungskosten durch Solarsysteme an.
Im Vergleich der Kesselbelegungsvarianten ohne Solarsystem (blaue Balken) zeigt Variante 1 trotz der höchsten Investitionskosten für die Mehrkessel- und Kondensationsanlage die geringsten Wärmegestehungskosten.

Abbildung 5: Vergleich der Wärmegestehungskosten der gesamten Wärmeerzeugungsanlage „2 MW Heizwerk“ über eine Laufzeit von 25 Jahren in Abhängigkeit von vier verschiedenen Kesselbelegungen und dreier unterschiedlich großer Solarsysteme (blauer Balken: ohne Solarsystem; roter, grüner und gelber Balken mit unterschiedlich großer Solaranlage)

Zusammenfassung und Ausblick

Die durchgeführten Arbeiten haben gezeigt, dass die Wahl der Kesselbelegung einen zentralen Einfluss auf den Jahresnutzungsgrad der gesamten Wärmeversorgungsanlage, auf die Schadstoffemissionen und auf die Wärmegestehungskosten hat. Insbesondere hackgutbefeuerte oder fossil befeuerte Schwachlastkessel zeigen hier zumindest im Bereich der Jahresnutzungsgrade und der SchadstoffemissionenVorteile.
Hinsichtlich des Einsatzes von Solarsystemen konnte in beiden untersuchten Heizwerken (2 MW und 0,5 MW) nachgewiesen werden, dass bei allen Kesselbelegungen (mit Ausnahme von nicht selbstzündenden Einkesselanlagen) die Kesselnutzungsgrade gesteigert bzw. konstant gehalten werden können. Die Schadstoffemissionen können durch Solarsysteme signifikant reduziert werden. Auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten erweisen sich Solarsysteme trotz der aktuell noch günstigen Hackgutpreise als durchaus konkurrenzfähig.
Grundsätzlich ermöglichen die Ergebnisse der gegenständlichen Arbeit eine Quantifizierung des Einflusses unterschiedlicher Kesselbelegungen und unterschiedlich großer Solarsysteme in Bezug auf entscheidende Kennzahlen zur Beurteilung von Wärmeerzeugungsanlagen. Dieser Aspekt kann zukünftig zur Integration der Ergebnisse in bestehende Qualitätsstandards wie z.B. „qm heizwerke“ führen.
Abschließend kann gesagt werden, dass solarthermischen Anlagen aufgrund der durchaus sinnvollen Kombinationsmöglichkeit von Biomasse mit Solarthermie erhebliches Potenzial bei der Verbesserung der zukünftig im Vordergrund stehenden „Gesamteffizienz von netzgebundenen Wärmeversorgungsanlagen“ eingeräumt werden muss.

*) DI (FH) Johann Breidler ist Mitarbeiter des Bereichs Solarthermische Komponenten und Systeme von AEE INTEC (Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!)
Ing. Christian Fink ist Leiter des Bereichs Solarthermische Komponenten und Systeme von AEE INTEC (Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!)
DI Franz Promitzer ist Leiter des klima:aktiv-Programms „qm heizwerke“ und Mitarbeiter des Landesenergievereins Steiermark (Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!) [^]