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ERZEUGUNG
Hybride Heizsysteme mit Ölheizung und Strom Dominik Bernhard und Christfan Fieger
Die witterungsbedingten Schwankungen der regenerativen Stromerzeugung führen zeitweise zu einem Überangebot an Strom im Versorgungs netz. Dies hat unmittelbare Auswirkungen auf den Strompreis am Spotmarkt der Strombörse (EEX). Bereits in der Vergangenheit haben hohe regenerative Stromanteile stundenweise zu negativen Strompreisen geführt. Zudem müssen die auftretenden Prognosefehler im Angebot regenerativer Erzeugung durch die Vorhaltung von negativer sowie positiver Regelleistung ausgeglichen werden. Mit dem Einsatz hybrider Heizsysteme und dem damit verbundenen Verbrauch des erzeugten Stroms vor Ort kann diesen Problemen in wirtschaftlicher, technischer und ökologischer Hinsicht begegnet werden.
Der Ausbau der regenerativen Erzeugungs- terschiedliche Dämmstandards für folgende In einem Basis-Szenario wird eine jährliche
Preissteigerung für Heizöl von 3 % ge\~ählt. Ausgehend von 70 ctjl (Stand llj2010) kos
tet ein Liter im Jahr 2020 ca. 90 ct.
Ieistung im Rahmen der Energiewende (vgl. Typen simuliert:
Abb. 1) wird die aktuell bereits auftretenden
problematischen preislichen und versor
gungsmäßigen Effekte weiter Yerstärken. Ne
ben diesen allgemeinen Auswirkungen treten
zunehmend Probleme in der Verteilnetzebene
auf. Diese ist in einigen Fällen nicht mehr in
der Lage, den eingespeisten Strom in die über
geordneten Netze zu transportieren.
Hybride Heizsysteme
Eine i\löglichkeit, negative Regelleistung
bereitzustellen, bietet die Installation \'On
elektrischen Heizkomponenten in Gebäu
deheizsystemen. Durch den Einsatz eines
Wärmespeichers in der hybriden Heizanla
ge ist es möglich, die Notwendigkeit negati
Yer Regelleistung zeitlich vom Wärmebedarf
zu entkoppeln. Einfamilienhäuser (EFH) be
sitzen aufgrund ihrer Anzahl und der ver
gleichsweise niedrigen Heizleistung ideale
\ 'oraussetzungen für den Einsatz einer elek
trischen Nachheizung.
Die folgenden Anlagenalternativen bilden
die gängigsten ölbasierten Heizsysteme in
EFH ab:
• Öl-Brennwertkessel (Referenzanlage);
• Öl-Brennwertkessel mit Heizstab
(10 kW); • Öl-Brenmrertkessel mit Heizstab ( 10 kW)
und Solarthermieanlage mit 7,5 m2/15 m2
Kollektorfläche und ·WO ljl 000 I-Puffer
speicher.
Wärmebedarf von Einfamilienhäusern
Um den Wärmebedarf und damit das Poten
zial zur Bereitstellung der negativen Regel
leistung von EFH zu bestimmen, wurden un-
• Bestandsgebäude (unsaniert);
• Bestandsgebäude (saniert); • EFH-Neubau mit Primärenergiebedarf
gemäß aktueller Energieeinsparverordnung
(EnEV) 2009.
Für diese Gebäudetypen wurden unter Be
rücksichtigung weiterer Einflussfaktoren (Außentemperatur, Sonneneinstrahlung,
Personenzahl) stündliche Wärmelastgän
ge (Warmwasser und Heizung) generiert.
Dabei ergibt sich ein Primärenergiebedarf
von .f7 000 kWhja, 37 000 kWhja bzw.
24 000 kWh/ a für das mit Öl beheizte Ge
bäude.
Energiepreise im Jahr 2020
Die Synthese des Potenzials hybrider Heiz
systeme im Jahr 2020 setzt die Kenntnis
der sich einstellenden Energiepreise für
Heizöl und Strom voraus. Nur wenn die
Wärmeerzeugung durch Strom preiswerter
ist als jene mit Öl, wird der Heizstab ein
gesetzt.
Die Ent1ricklung der Großhandelsstromprei
se an der EEX bis zum Jahr 2020 ist eben
falls von einer Vielzahl unterschiedlicher
Faktoren abhängig. Erschwerend kommt
hinzu, dass die Strompreise in stündlicher
Auflösung bestimmt werden müssen, um
die starke Volatilität der erneuerbaren Ener
gien und deren Einfluss auf den EEX-Preis
zu erfassen. Da die Residuallast (Verbrau
cherlast abzüglich Erneuerbare) die maß
gebliche Größe für den Strompreisverlauf
ist, wird zunächst auf Basis des Ausbausze
narios in der Leitstudie 201 0 [1] die Residu
allast mit stündlicher Auflösung bestimmt.
Daraus werden die stündlichen Strompreise,
\1 ie exemplarisch in Abb. 2 dargestellt, für
das Jahr 2020 abgeleitet.
Strompreismodelle für Endverbraucher
Gegenwärtig zahlen EndYerbraucher ihrem
Stromlieferanten für jede Kilowattstunde ei-
• L<JufwOiuer • Wind Onshore
Wind Offshore Photovoltaik
• Biom.1:sse e G~thermle
20000 40 000 60 000 so 000 100 000 120000 140 000
rnstaHicr1e Leistu ng in MW
- I 1
• Laufwasset • Wind Onshore
I Wind Offshort Stond Ende 2009 •••••• ]
~
• Photol.ciUU:
a Biomasse
---r • Geothtrmie 2020 ··········t---==--==-=::J····· J.r:tt.~ 1MtJ
50 000 100000 150000 200000 250000
Stromton:tuJun& in GWh/ a
Vergleich des Ausbaus der erneuerbaren Energien Ende 2009 mit der Situation 2020 Im Basisszenario A der Leitstudie
ENERGIEWIRTSCHAFTLICHE TAGESFRAGEN 62. Jg. (20 12) Heft 6 59
ERZEUGUNG
80
60
..c :: ::E 40
~ .5 20 ... ·~ 0.. x 0 w w
-20
-40 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168
Winterwoche 16.01.2020-22.01.2020
Modellierte Strompreise in der untersuchten Winterwoche mit negativen (rote Punktellnie) und ausschließlich positiven (grüne Linie) Preisen
Tab. 1: Angenommenes Strompreismodell (Angaben in ct/ kWh; MwSt. in%)
Strompreismodell
Erzeugung
Messung
Vertrieb
Fixe Faktoren:
Konzessionsabgabe
Stromsteuer
Mehrwertsteuer
variabel
0,80
0,80
1,10
2,05
19%
nen festen Preis. Dieser lag im Jahr 2010 bei über 23 ctjkWh (2] . Ein Betrieb elektrischer Heizkomponenten gegenüber ölbefeuerten Heizsystemen wäre nicht wirtschaftlich, da eine mit Öl erzeugte Kilowattstunde Wärme im Schnitt 7 ct kostet.
Variable Faktoren:
Netzentgelte
EEG-Umlage
KWK-Umlage
5,90
3,50
0,20
wird durch die positiven Auswirkungen auf die Übertragungsnetze eine Befreiung von den Netzentgelten berücksichtigt (vgl. Tab. 1).
Sofern sich die an der EEX auftretenden
kleineren Leistungen die verfügbare regenerative Energie im \'ersorgungsnetz nicht kurzfristig in die Heizsysteme eingebracht werden kann .
Die Wahl von Heizelementen mit größerer Leistung ist durch die maximale Übertragungskapazität der Hausanschlüsse begrenzt. War die Yerfügbare regeneratiYe Strommenge je Gebäude größer als deren tatsächlicher Wärmebedarf, wurde die überschüssige Energie in diesen Gebäuden zwischengespeichert War in der folgenden Stunde kein regenerativer Strom verfügbar, wurde die in die Speicher eingebrachte Energiemenge für die Wärmebedarfsdeckung \·erwendet. Allerdings wurde die Energiemenge \'ereinfachend auf eine Anzahl Yon EFH aufgeteilt (je nach Restwärme und jeweiligem Wärmebedarf). Stand hingegen in der Folgestunde erneut Überschussstrom zur Verfügung, erfolgte die Berechnung der Gebäudeanzahl aus der Summe von Überschuss und Yerfügbarer Energie - geteilt durch die in dieser Stunde auftretende Wärmeanforderung.
Abb. 3 ist u. a. zu entnehmen, dass bei Installation von elektrischen Heizstäben in ca. 1,8 1\Iio. unsanierten EFH (blaue Kennlinie) jeweils eine Deckung von mindestens 1 0 % des Wärmebedarfs mit regenerativem Strom gewährleistet werden kann. Bei einem jährlichen elektrischen Wärmebeitrag von 10 %
wären die errechneten Kapitalkosten für einen Heizstab innerhalb von acht Jahren durch die Einsparungen bei den Wärmegestehungskosten refinanziert (vgl. Abb. 4).
stündlichen Strompreise im negativen Be- Die Amortisationszeit verkürzt sich ent-Demnach müssen Rahmenbedingungen geschaffen werden, welche den Einsatz elektrischer Heizkomponenten fördern. Dies umfasst variable Stromtarife, die auf den an der EEX gehandelten Erzeugerpreisen basieren und anschließend um preissteigernde Faktoren zu ergänzen sind. Da hybride HeiZS) steme helfen, Überkapazitäten im Versorgungsnetz und damit Netzproblematiken zu \·ermeiden, könnte der Bezug von Überschussstrom teilweise von bestimmten preistreibenden Faktoren befreit werden.
In einem Strompreismodell wurden jene Faktoren eliminiert, welche durch die gesetzliche Förderpolitik eingeführt wurden (EEG-Um lage, KWK-Umlage). Zusätzlich
60
reich befinden, werden die preistreibenden Faktoren aufaddiert Steigt der Strompreis dadurch ins Positive, wird auf den Differenzbetrag zwischen dem Strompreis und Null anteilig die l\lehrwertsteuer aufgeschlagen. Verbleibt der Strompreis trotz preissteigernder Faktoren im negatiYen Bereich, entfällt die Mehrwertsteuer.
Potenzial hybrider Heizsysteme im Jahr 2020
sprechend, wenn der prozentuale Anteil der jährlichen Wärmebedarfsdeckung durch Strom steigt.
Am Beispiel des unsanierten EFH ist darüber hinaus ersichtlich, dass nur eine sehr geringe Anzahl der Gebäude ihren jährlichen Wärmebedarf zu 50 % mit regeneratiYem Strom decken kann (blaue Kennlinie läuft gegen Null). Dies liegt u. a. daran, dass im Jahres\'erlauf die Menge des regenerativen Stroms begrenzt ist. Weiterhin kann
Über die Leistung der Heizstäbe wurde er- aufgrund des teilweise geringen Wärmebe-mittelt, welche Anzahl an EFH mit regenerativem Strom zu jeder Stunde des Jahres versorgt werden könnte. Der Leistungswert der Heizstäbe wurde mit 10 kW gewähl t, da bei
darfs kein regenerativer Strom in die Heizsysteme eingebracht werden (vor allem im Sommer). Das hat zur Folge, dass nur eine kleine Anzahl EFH in der Lage ist, einen ho-
ENERGIEWIRTSCHAFTLICHE TAGESFRAGEN 62. Jg. (20 12) Heft 6
ERZEUGUNG
hen prozentualen Strombeitrag bei der Wär- für Heizöl. Der in Abb. ~ ersichtliche leichte stellen, die in Form jährlicher Kapi talkosten auf die Energiekosten aufaddiert werden. Bei einer reinen Ö!versorgung (0 % durch Strom) steigen die Kosten hierfür auf ca. ~ 500 €. Die Kapitalkosten für den Heizstab (Investition und Installation inklusiYe 5 % Zinssatz) von ca. 800 €, die sich bei einer jährlichen Preissteigerung von 3 % bis zum
me\ ersorgung zu realisieren. Anstieg der Stromkosten und der vergleichs-weise starke Rückgang der Heizölkosten
Zu diesen EFH kommen weitere hinzu, die führen insgesamt zu Einsparungen bei den einen Strombeitrag von 40 % einbringen Energiekosten. kön nen (gemäß Abb. 3 der unsanierten EFH sind dies knapp über 50 000 Häuser). Zu Ein ähnlicher Sachverhalt ist bei Berück-diesen 50 000 Häusern mit einem 4-0-pro- sichtigung der Investitionskosten festzu-zentigen Stromdeckungsbeitrag kommen weitere 350 000 EFH (400 000 abzgl. 50 000) hinzu, die einen Deckungsbeitrag \On 30 % erhalten usw.
Q) "C j
:10 .0 Q)
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..c 10 N c <!
5 000 000
4 500 000
4 000 000
3 500 000
3 000 000
2 500 000
2 000 000
1500 000
1000 000
500 000
0
1\ \ \
\ \ \ \
\. \ ~ ~ ~ ~
-
- Anzahl unsanierte Gebäude - Anzahl sanierte Gebäude - Anzahl Neubauten
"' ~~ K ~ t---
Werden Solarthermieanlagen berücksichtigt, reduziert sich die Anzahl der Gebäude, die für hybride Heizsysteme in Frage kommen. Dieses Ergebnis mag der Erwartung widersprechen, wonach die Anzahl der EFH steigen müsste, da aufgrunddes solaren Beitrages der Wärmebedarf je EFH sinkt und damit die verfügbare regenerative Strommenge auf eine größere Anzahl Häuser verteilt werden kann. Der solare Ertrag führt jedoch dazu, dass der Wärmebedarf der Häuser während vieler Stunden des Jahres sehr gering ist bzw. Yollständig durch Solarthermie gedeckt wird und ein Einbringen elektrischer Wärme nicht mehr möglich ist. Die Anzahl der Gebäude mit einer kleinen Solarthermieanlage und einem 1 0-prozentigen elektrischen Deckungsgrad beträgt ca. 1,3 Mio. Der Kurvenverlauf gleicht jenem in Abb. 3.
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70%
Wirtschaftlichkeit hybrider Heizsysteme
Nachfolgend wird das System Öl-Brennwertkessel und Heizstab betrachtet. In Abb. 4 ist der Verlauf der Wärmegestehungskosten (ohne und mit Investition) für Öl und Strom in Abhängigkeit des elektrischen Deckungsbeitrages für ein unsaniertes EFH dargestellt.
Bei einer prozentualen Versorgung mit Strom \'On 0 % wird der gesamte Wärmebedarf ausschließlich durch Heizöl bereitgestellt. Die Kosten hierfür liegen knapp unter 4 000 €.
Eine Einsparung bei den Energiekosten liegt nicht ,·or. Steigt der jährliche Wärmebt>itrag durch einen elektrischen Heizstab, steigen zum einen die Energiekosten für Strom (der Strompreis wird durch einen durchschnittlichen Wert aller in Frage kommenden Stunden eingebunden). Zum anderen sinken jene
10 ........ 0 .... j w c c Q) .... 111 0 ~
prozentuale Versorgung mit Strom
Potenzial möglicher zu versorgender EFH in Abhängigkelt des energetischen Standards sowie des prozentualen Strombei trags
6000 Energiekosten 01
1500 - Energiekosten Strom
5 000 Heizkosten Öl (mit Investition) 1250
4 000 1----- Heizkosten Strom (mit Investition)
-Einsparung Energiekosten hybrides Heizsystem -- Einsparung Heizkosten hybrides Heizsystem (mit Investition) 1000
3 000
2 000
1000
r---- --1---~ --p<: ----.......... --~ ~ ..."
_...:-::: .........
750
500
250
0 ...... 0 ~
-1000 -250
0% 10% 20% 30% 40% 50%
prozentuale Versorgung mit Strom
• Kostenhybrides Heizsystem (Öikessel und Heizst ab) bei 3-prozentlger Preissteigerung für ein unsaniertes EFH
ENERGIEWIRTSCHAFTLICHE TAGESFRAGEN 62. Jg. (20 12) Heft 6 61
~ 0 .... j w .E 110 c j .... 10 Q. 111 c w
ERZEUGUNG
Tab. 2: Stündliches negat ives Regelleistungspotenzial hybrider Heizsysteme im Durchschnitt über ein Jahr
EFH Bestand
Heizsystem (Öikessel und Heizstab)
ohne Solaranlage
Regelleistung in GW
1,98
1,30
1, 17
mit Solaranlage (400 I)
mit Solaranlage (1 000 I)
EFH saniert ohne Solaranlage
mit Solaranlage (400 I)
mit Solaranlage ( 1 000 I)
2,43
1,14
0,93
EFH Neubau ohne Solaranlage
mit Solaranlage (400 I)
mit Sola ranlage ( 1 000 I)
3,00
2,03
1,58 ------------------------
Jahr 2020 ergeben, führen zuerst zu negati
ven Einsparungen. Erst ein steigender Wär
meanteil durch Strom führt im weiteren
Verlauf zu positiven Einsparungen. Diese
betragen bei einem Stromwärmeanteil von
10 90 ca. 100 €j a.
Potenzial für die Regelleistungsbereitstellung
Durch eine informationstechnische An
bindung hybrider Heizsysteme und deren
koordinierten Einsatz kann in beträchtli
chem Umfang (negative) Regelleistung be
reitgestellt werden. In den Berechnungen
Aufgrund der aufgezeigten Leistungswerte
(auch jene, bei denen durch Installation von
Solaranlagen die Leistungswerte reduziert
wurden) könnPn EFH mit hybriden Heiz
systemen unter Einbindung elektrischer
Heizstäbe einen bedeutenden Beitrag bei
der Bereitstellung negativer Regelleistung
erbringen.
Potenzial für die C02-Emissionsreduktion
Gemäß der vorherigen Definition werden
die Heizstäbe mit regenerativem Strom
betrieben, wodurch bei deren Einsatz ge-
wurde ermittelt, welches durchschnittliche genüber dem Betrieb von Ölheizungen
negath·e Regelleistungspotenzial je Stunde
besteht.
Tab. 2 ist zu entnehmen, dass das größte
Regelleistungspotenzial grundsätzlich für
diejenigen EFH besteht, bei denen keine
Solaranlagen in die Heizungsunterstüt
zung eingebunden sind. Ein solches Zu
satzsystem reduziert den Wärmebedarf
und damit den elektrischen Wärmeein
trag. Dabei ist es gleichgültig, ob die EFH
unsaniert oder saniert sind bzw. den Wär
mebedarf e ines Neubaus aufweisen. Zwar
reduziert ein besserer energetischer Stan
dard den jeweiligen Wärmebedarf - aller
dings resultiert daraus ein größeres Po
tenzial an EFH, die mit einem bestimmten
elektrischen Mindestdeckungsbeitrag bei
der Wärmeversorgung rechnen können.
Somit steigt das durchschnittliche stünd
liche negat ive Regelleistungspotenzial bei
Betrachtung der drei Gebäudetypen ohne
keinerlei C02 -Emissionen in die Atmo
sphäre abgegeben werden. Beispielsweise
emittiert ein unsaniertes EFH mit einem
jährlichen Primärenergiebedarf von ca.
.P 000 kWh ca. 12,5 t COja. Dieser 1\'er t
reduziert sich entsprechend bei einem ste i
genden elektrischen Deckungsbeitrag in
der Wärmeversorgung.
Durch Multiplikation der C02-Emissionen
je unsaniertem EFH (ca. 12,5 t COj a) mit
jenem Potenzial, welches bei 10 % elektri
schem Wärmebeitrag wirtschaftlich betrie
ben werden könnte (ca. 1,8 Mio. unsanierter
EFH), resultieren Gesamtemissionen von ca.
22,5 Mio. t COj a. Durch Einbezug des auf
gezeigten jährlichen Wärmebeitrages mit
Heizstäben resultieren Gesamtemissionen
von ca. 17,4 Mio. t COj a und damit Einspa
rungen YOn ca. 5 fl!io. t Cüj a. Wird in den
Berechnungen der Wärmebeitrag durch So
laranlagen berücksichtigt, sinken die durch
Solaranlagen von ca. 2 GW (unsaniert) auf den Einsatz der elektrischen Heizstäbe ma-
3 GW (Neubau). ximal erreichbaren C02-Einsparungen.
Ein wirtschaftlich rentables Modell
Es konnte aufgezeigt werden, dass un
ter bestimmten Rahmenbedingungen die
Installation und der Betrieb elektris cher
Heizkomponenten in einer Yielzahl an Öl
heizungen wirtschaftlich rentabel ist und
dabei gleichzeitig positive Aspekte für die
Stromversorgung (Bereitstellung negativer
Regeleistung) sowie für die Reduktion der
C02-Emissionen generier t werden können.
Aufgrund eines kombinierten Einsatzes der
hybriden Heizsysteme besteh t neben dem
potenziellen wirtschaftlichen Vorteil durch
günstige Stromwärmegestehungskosten für
die Endverbraucher auch jener der Yersor
gungssicherheit, da durch Öltanks und der
darin speicherbaren Energiemenge über
lange Zeiträume die Wärmeversorgung ge
lrährleistet werden kann.
Die hierfür notwendige Voraussetzung ist
die informationstechnische Anhindung und
\'ernetzung der hybriden Heizsysteme über
geeignete Rundsteuergeräte an eine zen tra
le Koordinierungsstelle, welche in Echtzeit
Informationen über die Strompreise an der
EEX sowie den Wärmebedarf der EFH aus
wertet - und bei Bedarf die elektrischen
Heizkomponenten aktivieren kann.
Quellen
[I) Nitsch, J.; Wenzel, B.: Langfrists zenarien und Stra
tegien für den Ausbau der Erneuerbaren Energien in
Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung
in Europa und global - Entwick lung der EEG-\'ergü
tungen , EEG-Differenzkosten und der EEG-Umlage bis
zum Jahr 2030 auf Basis des Leitszenarios 2010. Berlin:
BMU, 2010.
[2) Energiedaten - Nationale und Interna tionale Ent
wicklung. Berlin: BMWi, 19.1.2012.
DiplAng (FH) D. Bernhard, Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V., München;
Dipl.-lng. C. Fieger, Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbH, München dbernhard@ffe.de
62 ENERGIEWI RTSCHAFTLICHE TAGESFRAGEN 62. Jg. (20 12) Heft 6
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