Primärenergiefaktoren von biogenen Energieträgern, Abwärmequellen und Müllverbrennungsanlagen

Im Rahmen dieses Gutachtens wurden Primärenergiefaktoren für verschiedene Energieträger ermittelt und methodische Fragen diskutiert. Primärenergiefaktoren werden insbesondere im Rahmen der Energieeinsparverordnung verwendet, um den Jahresprimärenergiebedarf für ein Gebäude zu ermitteln. Bei Wahl eines Brennstoffes mit einem geringen nicht erneuerbaren Primärenergiefaktor kann der Bauherr auf diese Weise seinen Primärenergiebedarf erheblich reduzieren und ggf. - je nach Gebäudeausgestaltung - im Gegenzug auf Maßnahmen beispielsweise im Bereich Lüftung oder Anlagentechnik verzichten.Projektlaufzeit: August 2010 - Dezember 2010

Primärenergie (PE)-Faktoren werden in verschiedenen Normen für Wohngebäude und Nichtwohngebäude definiert. Dazu zählen die DIN V 4701-10 und die DIN V 18599-1. Ergänzend werden im Arbeitsblatt FW 309-1 der AGFW (Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e.V.) weitere Faktoren für Brennstoffe genannt und Rechenverfahren vorgeschlagen.

Ziel des Gutachtens ist die Validierung der vorhandenen PE-Faktoren. Dabei werden insbesondere die PE-Faktoren für feste, flüssige und gasförmige Biomasse, für Nah- und Fernwärme aus Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und Heizwerken mit biogenen Brennstoffen, für gewerbliche bzw. industrielle Abwärme und für Nah- und Fernwärme aus Abfall näher betrachtet und basierend auf Ökobilanzstudien, Systemanalysen für Referenzanlagen und Anlagendatenbanken neu bestimmt.

Auftragnehmer des Forschungsvorhabens war das Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH (IFEU), Heidelberg, in Zusammenarbeit mit der eta Energieberatung GbR, Pfaffenhofen an der Ilm sowie der ECONSULT Lambrecht Jungmann Partnerschaft, Rottenburg.

Konzept

Kern des Gutachtens ist zum einen die ökologische Bilanzierung der biogenen Brennstoffketten. Hierfür werden basierend auf ausführlichen Ökobilanzstudien von festen, gasförmigen und flüssigen Bioenergieträger die primärenergetischen Aufwendungen der einzelnen Brennstoffe abgeleitet.

Für die Bewertung der KWK aus biogenen Brennstoffen ist die Bewertungsmethodik für die Kuppelprodukte Strom und Wärme wesentlich. Neben der Systematik des Gutschriftverfahrens der AGFW wird ein von den Autoren ergänztes modifiziertes Gutschriftverfahren erläutert, das die Aufwendungen für den Wärmenetzbetrieb und den Spitzenkessel nicht der KWK-Anlage, sondern dem Wärmeprodukt zurechnet und damit einen Anreiz schafft, die Wärmebereitstellung möglichst effizient und mit geringen fossilen Anteilen zu erzielen. Eine weitere gängige, thermodynamisch begründete Methode ist die exergetische Allokation, die ebenfalls ausgewiesen wird.

Weiterhin werden PE-Faktoren für industrielle und gewerbliche Abwärme betrachtet. Dabei werden gewerbliche Kälteanlagen, Abwärme aus Backöfen und industrielle Abwärme aus Hochtemperaturkühlwasser untersucht. Der Bereich der Abwärmenutzung ist außerordentlich vielfältig. Diese Vielfalt kann im Rahmen dieser Studie nur beispielhaft mittels vier praxisnaher Anlagenkonfigurationen analysiert werden. Hierfür lagen konkrete Auslegungs- und Anlagendaten aus realisierten Systemen sowie generische Planungsgrundlagen vor.

Schließlich werden PE-Faktoren von Müllverbrennungsanlagen betrachtet. Dazu werden zu-nächst methodische Fragen diskutiert: Ist der fossile Anteil im Abfall (sog. "Feedstock-Energie") für den Primärenergiefaktor des Abfalls zu berücksichtigen? Welchen Einfluss haben Länge und Anrechnungsmethode des Müll-Transportes? Wie ist der Verbrauch fossiler Energieträger zur Stützfeuerung des Abfalls für den Spitzenkessel zu berücksichtigen?

Basierend auf der IFEU-Datenbank von Müllverbrennungsanlagen werden PE-Faktoren für Nah- und Fernwärme aus Müllheizkraftwerken und Heizwerken berechnet. Schließlich wird untersucht, wie die PE-Faktoren zukünftig in die Energieeinsparverordnung (EnEV) eingebettet werden sollten. Dabei werden unterschiedliche Konzepte zur Handhabung der PE-Faktoren erläutert und alternative Vorschläge bezüglich einer langfristigen Weiterentwicklung der EnEV gemacht.

Ergebnisse

Die Ökobilanzierung fester Biomassebrennstoffe führt nach den Berechnungen der Gutachter zu Primärenergiefaktoren zwischen 0,02 für Hackschnitzel aus Altholz und 0,17 für Holzpellets aus Kurzumtriebsplantagen. Im Einzelfall bei längeren Transporten, die im derzeitigen deutschen Brennstoffmarkt noch keine Rolle spielen, können die PE-Faktoren auch darüber liegen.

Biomethan (aufbereitetes und in Erdgasnetz eingespeistes Biogas) liegt nach den Ergebnissen der Auftragnehmer bei einem PE-Faktor von 0,36, Bioöle zwischen 0,21 und 0,48. Gerade für Palmöl ergibt sich auf Grund des hohen Flächenertrages und der geringen fossilen Aufwendungen beim Anbau und in der Verarbeitung trotz des weiten Transportweges ein geringerer PE-Faktor. Bei diesem Kraftstoff sehen die Forschungsnehmer aber die Gefahr eines deutlich erhöhten Treibhausgas-Budgets auch bei Einhaltung der Nachhaltigkeitszertifizierung gegeben. Einen Grund sehen sie darin, dass sich indirekte Landnutzungsänderungen und die damit verbundenen Treibhausgas-Emissionen derzeit nicht in der Rechenmethodik der Biomasse-Nachhaltigkeitsverordnung wiederfinden.

In der geltenden EnEV wird die Nutzung des PE-Faktors 0,5 für Biogas und Bioöl auf Einsatzfälle begrenzt, "wenn die flüssige oder gasförmige Biomasse im unmittelbaren räumlichen Zusammenhang mit dem Gebäude erzeugt wird." Hintergrund dieser Regelung ist der vom Verordnungsgeber als problematisch angesehene Vollzug, da der Versorger und das bezogene Gas-/Ölprodukt kurzfristig gewechselt werden kann und es nicht durch die Art des Wärmeerzeugers sichergestellt ist, dass der entsprechende erneuerbare Energieanteil bezogen wird.

Neben das Kontrollproblem tritt nach Darstellung der Forschungsnehmer die ökologische Wirkung, die auftreten würde, indem bei genereller Bewertung von Bio-Erdgas mit einem niedrigen PE-Faktor durch eine stark erhöhte Nachfrage nach Bio-Erdgas der bereits heute vergleichsweise hohe Flächendruck zum Anbau von nachwachsenden Rohstoffen zur Biomasse-Bereitstellung zunehmen würde. Daher ist ein Einsatz von Bio-Erdgas in KWK-Anlagen derzeit auch durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz gefördert. Die derzeitige Anforderung der EnEV sollte bestehen bleiben. Für Bioöle sollte zusätzlich gefordert werden, dass sie gemäß der entsprechenden Biomasse-Nachhaltigkeitsverordnung zertifiziert sind.

Bei zukünftig steigenden Anteilen könnte nach den Überlegungen der Auftragnehmer erwogen werden, das eingespeiste Biogas - in Analogie zu den steigenden Anteilen erneuerbarer Energieträger im Strommix - mit dem Faktor 0,4 auf den Bundesmix für Erdgas anzurechnen, nicht jedoch auf den Einzelmix eines Versorgers.

Bei den betrachteten KWK-Anlagen wird das Ergebnis maßgeblich durch das verwendete Zuordnungsverfahren der Aufwendungen zu Strom und Wärme bestimmt. Das in dieser Studie vorgeschlagene modifizierte Gutschriftsystem basiert auf dem Stromgutschrift-Verfahren der AGFW, bei dem auf das Kuppelprodukt Strom eine Gutschrift gegeben wird. Wenn der PE-Faktor dann <0 wird, wird dieser Wert auf 0 gesetzt. Abweichend von der AGFW-Methodik wird vom Forschungsnehmer vorgeschlagen, dass der Beitrag des Spitzenkessels und des Hilfsenergiebedarfs für den Wärmetransport nicht auf 0 gesetzt werden darf. Dieses modifizierte Gutschriftverfahren sehen sie als vorteilig an, indem es analog zur gängigen Ökobilanzmethodik eine kausal adäquate Zuordnung von Aufwendungen für die Wärmebereitstellung (Pumpstrom, fossiler Spitzenkessel) zum Produkt Wärme erlaubt. Es gibt außerdem einen Anreiz zur Minimierung des fossilen Spitzenkesselanteils und zur Optimierung der Effizienz des Gesamtsystems (Netzverluste, Pumpstrom). Nachteilig an dem von den Forschern vorgeschlagenen Verfahren ist, dass es keinen Anreiz bietet, den Stromwirkungsgrad zu steigern. Allerdings ist dies nach Darstellung der Forscher auch bei dem jetzigen Gutschriftverfahren nicht der Fall, da bereits ab sehr niedrigen elektrischen Nutzungsgraden die Bilanz negativ wird und der PE-Faktor erst ab sehr hohen ungekoppelten Wärmeanteilen in den Bereich positiver Werte kommt. Im Bericht wird darauf hingewiesen, dass bei fossilen Anlagen zwischen dem modifizierten Verfahren und dem AGFW-Gutschriftverfahren kein Unterschied besteht, da auf Grund des fossilen Brennstoffbedarfs ohnehin keine Nullsetzung erfolgt. Mögliche Fehlanreiz-Wirkungen des modifizierten Verfahrens werden im Bericht diskutiert, aber nicht für prohibitiv erachtet.

Für den Fall einer 100%igen Deckung der Wärme aus einer biogenen KWK-Anlage ist nach den Untersuchungen der Forscher der PE-Faktor sehr gering und nur geringfügig von den verwendeten Gutschrift- oder Allokationsverfahren abhängig. Im Gutschriftverfahren der FW 309 kommt kein Biomasse-Heizkraftwerk auf Grund der Gutschrift für eingespeisten Strom über 0 (KWK-Anteil von 100%). Bei 70% KWK-Anteil liegen die Werte für dieses Verfahren nur geringfügig über 0. Dabei wird der nicht unbeträchtliche Spitzenkesselanteil durch die Stromgutschrift verdeckt. Anders ist dies im modifizierten Gutschriftverfahren. Hier liegen bei 100% KWK-Anteil alle KWK-Anlagen geringfügig über 0 und steigen auf 0,48 bei einem 30% Anteil des fossilen Kessels. Dieser Wert setzt sich zusammen aus dem eingespeisten Wärmeanteil, den Netzverlusten und dem Pumpstrombedarf.

Um Primärenergiefaktoren für Abwärme einer differenzierenden Betrachtung unterziehen zu können, muss zwischen verschiedenen Typen der Abwärmeauskopplung unterschieden werden:

1. Der Produktionsprozess wird durch die Wärmeauskopplung mit einem zusätzlichen Primärenergieaufwand belastet (z.B. Kältemaschinen mit höherer Kondensationstemperatur).
2. Die Effizienz des Produktionsprozesses wird durch die Abwärmenutzung nicht bzw. nicht wesentlich beeinflusst.
3. Durch die Abwärmenutzung wird Primärenergieaufwand auf der Prozessseite vermieden bzw. reduziert wie beispielsweise bei der Nutzung von Kühlwasser, das anderweitig über Kühleinrichtungen abgeführt werden müsste.

Je nach Einsatzfall ergeben sich PE-Faktoren zwischen negativen Werten (Fall c) und - für die von den Forschern berechneten Praxisfälle - 0,2 inklusive der Wärmeverteilung.

Die Nutzung von industrieller und gewerblicher Abwärme zur direkten Beheizung von Gebäuden oder zur Einspeisung in Wärmenetze sollte nach Auffassung der Auftragnehmer im Sinne der Reduzierung des Primärenergieverbrauchs und der CO₂-Emissionen erweitert und gefördert werden. Um möglichem Missbrauch vorzubeugen, empfehlen die Forschungsnehmer, die Einhaltung der nachfolgenden Kriterien für die Verwendung von Pauschalfaktoren vorauszusetzen. Bei Nichterfüllung der Kriterien bzw. Überschreitung der Maximaltemperatur der Abwärmenutzung aus Kälteanlagen müsste dann der Primärenergiefaktor im Einzelfall berechnet werden.

• Um zu verhindern, dass Abwärmenutzung in Kälteanlagen ohne genauere Betrachtung der Auswirkungen auf die Effizienz des Kälteprozesses betrieben wird, empfehlen die Forschungsnehmer die Verwendung der Pauschalfaktoren bei Nutzung der Kondensationswärme nur bis zu einer Nutzwärmetemperatur von 50 °C zu erlauben.
• Vom Betreiber des Wärmenetzes mit (industrieller) Abwärme bzw. dem Ersteller des EnEV-Nachweises bei unmittelbarer Nutzung gewerblicher Abwärme sollte nach dem Vorschlag der Auftragnehmer eine Bestätigung gefordert werden, nach der die Abwärmenutzung Teil eines Gesamtenergiekonzeptes darstellt und die Abwärme des Primärprozesses weder vermieden noch intern zurück gewonnen werden kann. Als Mindestanforderung für die Verwendung der Pauschalfaktoren sollte die Leistungszahl aus dem Verhältnis der aus der Abwärme stammenden und genutzten Wärme zum Stromeinsatz, der zur Bereitstellung dieser Abwärme erforderlich ist, in Anlehnung an das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz mindestens 10 betragen.

Bei Müllverbrennungsanlagen hat nach Erkenntnissen der Forschungsnehmer der Transport des Mülls einen insgesamt geringen, aber nicht ganz vernachlässigbaren Einfluss auf den Primärenergiefaktor des Abfalls. In der Studie wurden 24 Transportszenarien mit Werten zwischen 0,0 und 0,08 MJ/MJ Abfall berechnet; letzteres allerdings unter der Annahme eines Transportes Neapel-Köln und vollständiger Anlastung des Transports auf Strom und Wärme und nicht auf die Entsorgungsdienstleistung. Selbst wenn man einen mittleren, realistischeren Ansatz verfolgt und einen PE-Faktor von 0,025 ansetzt, macht sich diese Berücksichtigung in der Modellierung nicht (Gutschrift/mod. Gutschrift) bzw. fast nicht bemerkbar.

Zur genaueren Modellierung werden von den Forschern anhand einer eigenen Datenbank drei Müllheizkraftwerke (MHKW) mit unterschiedlicher Energieeffizienz definiert. Mit den Anlagen soll ein möglichst breites Spektrum von Anlagen abgedeckt werden, die sich insbesondere hinsichtlich des elektrischen Nutzungsgrades unterscheiden.

Die Forscher zeigen auf, dass nach dem Gutschriftverfahren für alle MHKW negative Primärenergiefaktoren resultieren. Dabei ist der Wert umso kleiner, je größer der elektrische Nutzungsgrad der Anlage ist. Da negative Werte per Definition zu Null gesetzt werden, wäre der Primärenergiefaktor für alle drei MHKW gleich Null. Selbst bei einem relativ schlechten elektrischen Nutzungsgrad von rd. 5% wird der Primärenergiefaktor nicht positiv. Das modifizierte Gutschriftverfahren zeigt für alle drei MHKW Werte von 0,05; 0,20 bzw. 0,5 für einen Spitzenkessel-Anteil von 0, 10% bzw. 30%. Mit dem modifizierten Gutschriftverfahren liegen die Primärenergiefaktoren entsprechend ihrem fossilen Brennstoffeinsatz für den Spitzenkessel und dem Stromverbrauch zum Betrieb des Heiznetzes in einem moderaten Wertebereich. Aus Sicht der Autoren bildet das modifizierte Gutschriftverfahren den Primärenergieverbrauch fossiler Energieträger bei Betrieb eines Spitzenlastkessels im Ergebnis besser ab, zumal der Spitzenkessel kausal eindeutig der Wärmeerzeugung zugeordnet werden kann. Für die Müllheizwerke kommen die Forscher dagegen zu der Auffassung, dass das derzeitige Verfahren der AGFW eine Unterscheidung hinsichtlich effizienter und weniger effizienter MHW prinzipiell befriedigend abbildet.

Empfehlungen

Die Auftragnehmer empfehlen, auch bei der individuellen Berechnung von Wärmenetzen das von ihnen beschriebene und bei den Standardwerten benutzte modifizierte Gutschriftverfahren anzuwenden. Im Forschungsbericht ist eine Tabelle mit detaillierten Vorschlägen für die PE-Faktoren aufgestellt, deren Nutzung bei künftigen Berechnungen empfohlen wird. Dabei wurde ein Kompromiss aus Vereinfachung und exakter Abbildung der Bilanzergebnisse gewählt. Für Kraft-Wärme-Kopplung wird empfohlen, PE-Faktoren für 70 und 100% KWK-Anteil auszuweisen. Die Werte für andere KWK-Anteile sind aus diesen Stützstellen interpolierbar.

Derzeit verweist die EnEV bezüglich der Primärenergiefaktoren auf die zur Berechnung des Primärenergiebedarfs herangezogenen Normenwerke DIN V 4701-10 und DIN V 18599-1. Da die in der vorliegenden Studie ermittelten Primärenergiefaktoren teilweise von den Primärenergiefaktoren der genannten Normen abweichen bzw. diese ergänzen, empfehlen die Autoren, die Primärenergiefaktoren zukünftig in der EnEV selbst festzuschreiben.

Veröffentlichungen

Primärenergiefaktoren von biogenen Energieträgern, Abwärmequellen und Müllverbrennungsanlagen. BMVBS-Online-Publikation 12/2012, Hrsg.: BMVBS, Juni 2012
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