10.02.2021

Effiziente Energie-Technik für viele Anwendungen

Der Schlüssel für die Zukunft der Kraft-Wärme-Kopplung heißt iKWK

Effiziente Energie-Technik für viele Anwendungen

Der Schlüssel für die Zukunft der Kraft-Wärme-Kopplung heißt iKWK

Die Novelle des KWK-Gesetzes (KWKG) fördert die Flexibilisierung der Technik und eröffnet damit innovative Geschäftsmodelle. ©aekkom – fotolia.com
Die Novelle des KWK-Gesetzes (KWKG) fördert die Flexibilisierung der Technik und eröffnet damit innovative Geschäftsmodelle. ©aekkom – fotolia.com

Mit dem deutschen Kohleausstiegsgesetz ergeben sich für die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ganz neue Chancen. Denn die damit verbundene Novelle des KWK-Gesetzes (KWKG) fördert die Flexibilisierung der Technik und eröffnet damit innovative Geschäftsmodelle für KWK-Anlagen. Bisher dienten diese fast ausschließlich als Grundlasterzeuger im Dauerbetrieb. Doch die starke Zunahme der volatilen Stromerzeugung aus Sonne und Wind macht immer mehr Residuallast erforderlich: Genau darin liegt für KWK die große Chance, ihre Marktberechtigung für die Zukunft zu zeigen. Aufgrund der neuen Flexibilität steigt aber auch die Komplexität KWK-basierter Energiekonzepte. Damit der jeweilige Einsatzfall (Business Case) wirtschaftlich tragfähig bleibt, sind eine fundierte Projektentwicklung und Planung unerlässlich. Dies wird aktuell etwa in Bad Reichenhall für ein iKWK-System durch die Gammel Engineering (GE) umgesetzt. Das Projekt, gemeinsam von den Stadtwerken Bad Reichenhall und GE entwickelt, erhielt 2018 den Zuschlag in der ersten iKWK-Ausschreibungsrunde. Die vollständige Inbetriebnahme ist für Juni 2021 geplant. Aktuell bewerben es die Stadtwerke bereits mit dem Slogan: „Saalachwärme aus erneuerbarem, innovativem, CO2-sparendem Heizkraftwerk“.

Zwei Tendenzen spielen für die Zukunft der KWK aktuell die wichtigsten Rollen: Einerseits steigt wegen immer mehr fluktuierender erneuerbarer Einspeiser im Stromnetz der Bedarf an flexibler und bedarfsgerechter Stromerzeugung. Andererseits gilt es, auch bei der Wärme die Wende zu einer ökologischen Erzeugung zu schaffen. Deshalb ist an dieser Stelle eine Sektorenkopplung essenziell. Ideal für dieses Zusammenwirken von Strom und Wärme ist dabei die motorische KWK: Sie kann sehr schnell Regelenergie liefern und damit fehlende (Residual-)Last abdecken – ganz ohne Netzausbau und mit geringen Investitionskosten. Durch geschicktes Ankoppeln lassen sich sogar bestehende Wärmenetze erweitern.

Abbildung 1: Bruttostromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland von 1990 bis 2018 (eigene Anfertigung nach [Zeitreihen zur Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. August 2019. Verfügbar unter: https://www.erneuerbare-energien.de/EE/Navigation/DE/Service/Erneuerbare_Energien_in_Zahlen/Zeitreihen/zeitreihen.html])


Mit der KWKG-Novelle anlässlich des Kohleausstiegsgesetzes soll die flexible, bedarfsgerechte und strommarktdienliche Wärmeerzeugung durch KWK nun nochmals angeschoben werden. Dafür wird die Gültigkeit des KWKG zunächst bis Ende 2029 verlängert. Durch zusätzliche Anreize in Form eines Bonus für innovative Wärme soll auch verstärkt Wärme aus erneuerbaren Energien in KWK-Systemen über 1 MWel eingebunden werden.

Ausgangslage am deutschen Energiemarkt und zukünftige Anforderungen an KWK-Systeme

Seit 2017 wird die KWK-Förderung von Anlagen zwischen 1 und 10 MWel durch Ausschreibung vergeben. Dabei sind 50 MW pro Jahr für innovative KWK-Systeme (sogenannte iKWK) reserviert. Dafür laufen zwei Ausschreibungs-Runden, jeweils im Juni und Dezember. Die iKWK darf mit einem maximalen Aufschlag von 12 Cent/kWh angeboten werden, deutlich mehr als die Grenze von 7 Cent/kWh bei konventionellen KWK-Systemen. Bisher galten KWK-Anlagen als Grundlasterzeuger, liefen also möglichst viele Stunden pro Jahr unter Volllast. Der stetig steigende Anteil fluktuierender Energieträger erfordert aber gleichzeitig eine Flexibilität im Betrieb und bei der Abrechnung. Dazu wird die Vergütung des iKWK-Stroms auf maximal 3.500 Vollbenutzungsstunden pro Jahr begrenzt. Weil zusätzlich die Koppelung von Strom- und Wärmesektor gefordert wird, sind iKWK-Systeme weit komplexer als konventionelle Varianten: Zu einer neuen oder modernisierten KWK-Anlage (1 MWel bis 10 MWel) kommen verpflichtend ein fabrikneuer innovativer erneuerbarer sowie ein elektrischer Wärmeerzeuger – Power-to-Heat (PtH) – hinzu. Diese Kombination mehrerer Wärmeerzeuger mit unterschiedlichen Energiequellen soll die Sektorenkopplung und gleichzeitig eine strommarktdienliche Wärmeerzeugung voranbringen.

Abbildung 2: Bestandteile eines iKWK-Systems (Quelle: Gammel Engineering)

 

Für diese innovative erneuerbare Wärme gelten bestimmte Vorgaben: Sie muss aus Techniken mit einer Jahresarbeitszahl (JAZ) von mindestens 1,25 stammen und darf ausschließlich für Raumheizung, Warmwasserbereitung, Kälteerzeugung oder als Prozesswärme verwendet werden. Das gelingt brennstoffbasierten Absorptions- und Motorwärmepumpen (JAZ > 1,3), strombetriebenen Wärmepumpen (JAZ> 3,0), Solarthermie oder Geothermie. Dabei dürfen gasbetriebene Wärmepumpen ausschließlich gasförmige Biomasse (Biogas oder Biomethan) verwenden, was zu entsprechend höheren Brennstoffpreisen führt. Es ist möglich, mehrere Wärme-Erzeuger zu kombinieren, doch jeder einzelne muss diese Effizienzanforderungen erfüllen. Zudem soll die erneuerbare Wärmeerzeugung mindestens 30 Prozent der Referenzwärme pro Kalenderjahr liefern. Dabei sind Referenzwärme und Nutzwärme nicht identisch.

Diesen Referenzwärme-Anteil von mindestens 30 Prozent zu wirtschaftlichen Rahmenbedingungen zu schaffen ist bei der Projektierung eines iKWK-Systems eine der größten Herausforderungen. Dabei ergeben sich zahlreiche Fragen: Was ist die optimale Wärmequelle für die Wärmepumpe? Stehen ausreichend Flächen für Solarthermie zur Verfügung? Und wie hoch sind deren Wärmeerzeugungskosten im Gesamtkonzept, damit das Geschäftsmodell am Ende trotzdem wirtschaftlich bleibt? Erschwerend kommt hinzu, dass der Nachweis für den Referenzwärme-Anteil jährlich erfolgen muss. Deshalb ist eine Redundanzhaltung beziehungsweise Überdimensionierung erforderlich.
Gerade die KWK zwischen 1 und 10 MWel wird nun von der KWKG-Novelle besonders profitieren: Hier soll die Kombination einer KWK-Anlage mit einem erneuerbaren Wärmeerzeuger die Sektorenkopplung und gleichzeitig eine strommarktdienliche Wärmeerzeugung voranbringen. Jährlich berechnete Zuschläge bis zu 7 Ct/kWh sind möglich, abhängig vom Verhältnis der Wärmelieferung innovativer Komponenten zur Referenzwärme. Es gibt zudem Boni für elektrische Wärmerzeuger. Gleichzeitig aber wird die jährliche geförderte Strommenge zukünftig begrenzt.

Die Referenzwärme ist ein theoretischer Wert: die Summe der in einem Jahr über den innovativen Wärmeerzeuger bereitgestellten Wärme Eth,ieWEZ und dem Produkt aus installierter thermischer Leistung der KWK-Anlage Pth,KWK und 3000 Vbh/a. Nutzwärme ist die während eines Jahres von den einzelnen Erzeugern im iKWK-System wie KWK-Anlage, innovativer Wärmeerzeuger, PtH-Anlage und ggf. Spitzenlastkessel real erzeugte Wärmemenge.

Das Zukunftspotential von iKWK am Beispiel von Bad Reichenhall

Bisher betrieben die Stadtwerke Bad Reichenhall lediglich Erdgas- und Stromnetze. Ein Wärmenetz war im zukünftigen iKWK-Gebiet nicht vorhanden. Bis dato benötigte Wärme wurde hingegen dezentral mit Heizöl und Erdgas bereitgestellt. Damit unterscheidet sich das Projekt völlig von den anderen Teilnehmern am Ausschreibeverfahren. Als Bad Reichenhall mit der Idee, ein innovatives KWK-System zu errichten, in die erste iKWK-Ausschreibungsrunde im Juni 2018 ging, wurde damit der Bau eines Fernwärmenetzes und die Entwicklung eines neuen Geschäftsfeldes verknüpft. Ziel sollte es sein, mit diesem zukunftsfähigen Konzept die Bindung der Stadtwerke zu den Bürgern langfristig zu sichern. Auf Grundlage gemeinsamer Beratungen zwischen den Stadtwerken und GE wurde beschlossen, dass die Ingenieure aus Abensberg ein Fernwärmenetz nebst iKWK-System mit folgenden Komponenten entwickeln: ein Erdgas-BHKW (6,7 MWel, 6,3 MWth), eine Grundwasser-Wärmepumpe (2 x 1,5 MWth), eine PtH-Anlage (2,5 MWth) und drei thermische Speicher zur Optimierung des Anlagenbetriebs (zusammen 750 m³) sowie Gaskessel für die Redundanzhaltung und Spitzenlast-Deckung (10 MWth).

Abbildung 3:Konzept Bad Reichenhall (Quelle: Gammel Engineering)

Abbildung 4: Anlagenkonzept (Quelle: Gammel Engineering)

Da die regionalen Rahmenbedingungen weder genügend Flächen für Solarthermie noch relevante tiefengeothermische Möglichkeiten boten,  kommt in Bad Reichenhall als innovativer erneuerbarer Erzeuger eine Grundwasserwärmepumpe zum Einsatz. Diese ist redundant ausgeführt (2 x 1.500 kW Heizleistung) und benötigt eine Grundwasserentnahme von ca. 45 l/s. Damit diesbezügliche Risiken minimiert werden konnten, wurden bereits vor Gebotsabgabe für die Ausschreibung Scoping-Termine mit den Genehmigungsbehörden sowie dem Wasserwirtschaftsamt durchgeführt. Um den effizienten Betrieb der verschiedenen Komponenten zu gewährleisten, wird eine hochmoderne Energiezentrale realisiert, die in ihrer geplanten Form etwas ganz Besonderes ist: Sie entsteht nicht als Neubau, sondern ist in einer existierenden Bustiefgarage integriert. Deshalb sind mit Ausnahme des Wärmespeichers die Hauptkomponenten der iKWK-Anlage unterirdisch untergebracht.

Abbildung 5: Ausgestaltung der Energiezentrale im Projekt Bad Reichenhall (Quelle: Gammel Engineering)

Die Basis für den Business Case bildeten Bedarfsabschätzung, technische Konzeptionierung inklusive Festlegung von Anlagentechnik und -größe sowie Grobkostenanalyse. Im Rahmen der Projektierung ergab eine detaillierte Wirtschaftlichkeitsanalyse, dass durch die höheren Erlöse aus der iKWK-Vergütung der Aufbau des Wärmenetzes direkt daraus finanziert werden kann. Neben den wirtschaftlichen Vorteilen reduziert das iKWK-System in der projektierten Form die CO2-Emissionen der Wärmebereitstellung auf weniger als die Hälfte.
Im Juni 2018 endete die erste iKWK-Ausschreibungsrunde und das Projekt Bad Reichenhall erhielt den Zuschlag. Die Realisierungs-Planung für die Energiezentrale wurde im Februar, die für das Fernwärmenetz im Juli 2019 nach Ausschreibungen an GE vergeben. Inzwischen sind bereits die ersten Kilometer Fernwärmetrasse verlegt, die Planungen für die Energiezentrale gehen dem Ende entgegen. Die Inbetriebnahme des Gesamtsystems ist schließlich für Juni 2021 geplant. Die Stadtwerke Bad Reichenhall haben daher bereits mit der Vermarktung der so genannten „Saalachwärme“ begonnen; erste Wärmeliefervorverträge mit Kunden sind ebenfalls bereits abgeschlossen. Die Zielmarke in der ersten Ausbaustufe ist eine jährliche Wärmeabnahme von 32.000 MWh.

Abbildung 6: Vermarktung des Wärmesystems basierend auf einem iKWK-System bei den Stadtwerken Bad Reichenhall als Saalachwärme (Quelle: Stadtwerke Bad Reichenhall, URL: www.stadtwerke-bad-reichenhall.de)

 

Welche Probleme bringt die aktuelle Ausschreibungspraxis mit sich?

Trotz der wachsenden Bedeutung der KWK sowie der Förderung innovativer Anlagenkonzepte, lässt sich nach wie vor eine gewisse Zurückhaltung bezüglich der Beteiligung an solchen Ausschreibungen feststellen. Die Bundesnetzagentur BNetzA macht für die anfangs verhaltene Beteiligung an den iKWK-Ausschreibungen fehlendes Vertrauen in solche Vorhaben verantwortlich und hofft, erste umgesetzte Positivbeispiele steigern die Bereitschaft. Dabei übersieht die BNetzA: Tatsächlich waren gerade in der Anfangsphase viele Rahmenbedingungen noch unklar. So wurde nach der ersten Ausschreibungsrunde im Juni 2018 intensiv über den Verweis auf die „Richtlinie zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmemarkt“ diskutiert. Denn nach dieser Richtlinie hätten Wärmepumpen eine JAZ > 3,8 aufweisen müssen. Doch eine solche Technologie ist nicht für das Temperaturniveau in konventionellen Wärmenetzen am Markt verfügbar. Nachdem dies der BNetzA beim Scoping-Termin im November 2018 ausführlich erläutert wurde, ist das dazugehörige Merkblatt überarbeitet worden.

Hinzu kommt, dass die Ziele zur nachhaltigen CO2-Einsparung immer noch nicht mit den gesetzlichen Vorgaben im Einklang stehen. Ungenutzte Abwärme findet sich beispielsweise nicht in der Auflistung des GEG (Gebäudeenergiegesetz). Hier spielt es auch keine Rolle, ob sie prozessbedingt nicht vermieden werden kann und seit Jahren ungenutzt an die Umwelt abgegeben wird. Sie darf aber aufgrund der fehlenden Auflistung nicht vom innovativen erneuerbaren Wärmeerzeuger genutzt werden. In Bad Reichenhall wäre jedoch Abwärme aus der Saline auf einem Temperaturniveau von 35 °C verfügbar. Diese wird – wegen der regulatorischen Rahmenbedingungen für iKWK – aktuell ungenutzt in die Saalach geleitet. Dabei könnte die Abwärme als Wärmequelle für die Wärmepumpe dienen. Stattdessen muss in Bad Reichenhall Grundwasser mit deutlich niedrigeren Temperaturen für die Wärmepumpe genutzt werden. Das macht einen zweistufigen WP-Prozess nötig mit deutlich schlechterer Energieeffizienz und damit höherem Strombedarf. Beim aktuellen Strommix hat dies 38 Prozent mehr CO2-Emissionen zur Folge, über das Jahr gesehen entspricht dies 320 t. Dies steht nicht nur dem Ziel der Dekarbonisierung des Wärmemarktes entgegen, sondern verschlechtert auch die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems immens. Auch die Auflage, dass bei einer geothermischen Nutzung die Brunnenanlage und damit auch die Bohrung fabrikneu sein müssen, verschärft das nochmals. Zudem verhindert diese Regelung die Möglichkeit, für geringfügig höhere Kosten eine Brunnenbohrung direkt größer dimensioniert auszuführen, um so das Potential für eine zweite iKWK-Anlage zu schaffen. Stattdessen wird bei einer Erweiterung eine zweite Bohrung notwendig.
Diese Einschränkungen erschweren nicht nur das Projekt in Bad Reichenhall sondern auch die Umsetzung ähnlicher Anlagenkonzepte. Dabei liegen die Probleme oft im Detail. So wird etwa darüber diskutiert, wie weit eine Abluftöffnung von der Ansaugöffnung für eine Luft-Wärmepumpe entfernt sein darf, damit die Abwärme als „Umweltwärme“ der iKWK-Anlage zugerechnet werden darf. Eine weitere Regelung besagt: Wird der Mindest-Anteil des innovativen erneuerbaren Wärmeerzeugers von 30 Prozent an der Referenzwärme unterschritten, wird in diesem Jahr auch die erlaubte Zahl von 3.500 Volllastbenutzungsstunden abgeschmolzen. Das wiederum macht eine Überdimensionierung von Komponenten zwingend notwendig. Dann müssen beispielsweise zusätzliche Redundanzen für mögliche Ausfallzeiten einer Wärmepumpe geschaffen werden. Das gilt folglich genauso für Jahre mit geringerem Solarthermie-Ertrag. Ohne diese Kapazitätserweiterung ist eine verlässliche Wirtschaftlichkeitsprognose schlichtweg unmöglich. Dies alles dürften Gründe sein, warum die weiteren Ausschreibungsrunden für iKWK-Systeme bis zum Dezember 2019 deutlich unterzeichnet waren.

Abbildung 7: jährliche CO2-Emissionen des innovativen erneuerbaren Wärmerzeugers (WP) in Abhängigkeit der Wärmequelle (Quelle: Gammel Engineering)

 

Bisherige Ausschreibungen und Zuschlagsverteilung

 

Abbildung 8: Übersicht der eingereichten und bezuschlagten Gebote (Quelle: Gammel Engineering)

Bei den vergangenen Ausschreibungen bekamen vor allem Stadtwerke und regionale Energieversorger Zuschläge. Letztverbraucher aus Industrie, Gewerbe oder öffentliche Auftraggeber haben das iKWK hingegen noch nicht für sich entdeckt. Ob es aus diesen Bereichen Gebote gab, ist nicht bekannt. Konkret: Von 26 Zuschlägen in den ersten fünf Ausschreibungsrunden entfielen 24 auf Stadtwerke und regionale Energieversorger. Die restlichen beiden iKWK-Zuschläge gingen an die Firma Glood GmbH Power to Heat in Kooperation mit der Denker & Wulf AG.

In der ersten Ausschreibungsrunde vom Juni 2018 wurden zwei Gebote aufgrund von Formfehlern ausgeschlossen. In den beiden folgenden Runden (Dezember 2018 und Juni 2019) erhielten alle eingereichten Gebote Zuschläge. Erstmals war die Ausschreibung im Dezember 2019 überzeichnet; es wurde sich also um mehr iKWK beworben, als Leistung zu vergeben war. Deshalb gab es für die vier teuersten Gebote keine Zuschläge; ein Gebot fiel wegen eines Formfehlers durch. Dennoch wurde auch bei dieser Runde das Ausschreibevolumen trotz Überzeichnung abermals nicht ausgeschöpft: Das letzte, teilweise im Ausschreibungsvolumen liegende Gebot bekam keinen Zuschlag, weil dessen Volumen um mehr als die Hälfte über der ausgeschriebenen Leistung gelegen hätte. Auch in der Ausschreibungsrunde vom Juni 2020 war das ausgeschriebene Volumen höher als das bezuschlagte.

Die erste Ausschreibungsrunde war noch von einer Anfangsunsicherheit geprägt und die Angebote lagen weitab vom Höchstwert. In den Ausschreibungen von Dezember 2018 und Juni 2019 lagen die höchsten Gebote dagegen nahe am maximal erlaubten Zuschlagswert 12 Cent/kWh und kamen aufgrund der Unterzeichnung der Ausschreibung zum Zuge. Und auch weiterhin scheinen hohe Gebotswerte realistische Chancen auf Zuschlag zu haben. Dies zeigt die Ausschreibungsrunde vom Juni 2020 mit dem höchsten bisher bezuschlagten Gebotswert überhaupt (s. Abbildung 10).

Abbildung 9: Übersicht zu ausgeschriebenen, eingereichten und bezuschlagten Mengen (Quelle: Gammel Engineering)

Abbildung 10: Übersicht der bezuschlagten Gebotswerte (Quelle: Gammel Engineering)

Abbildung 11: Vergleich der elektrischen Leistung der bezuschlagten Gebote (Quelle: Gammel Engineering)

Abbildung 12: Technologieübersicht innovativer erneuerbarer Wärmeerzeuger (ieWEZ) (soweit bekannt) (Quelle: Gammel Engineering)

 

Auch wenn iKWK-Systeme gute Wirtschaftlichkeit versprechen: Für diese Systeme ist eine fundierte und belastbare Projektentwicklung unabdingbar. Eine interne Auswertung bei der GE (Abbildung 12) zeigt: Die meisten iKWK-Projekte arbeiten mit Wärmepumpen als innovative erneuerbare Wärmeerzeuger (ieWEZ). Der Grund: Wird ausschließlich auf Solarthermie als ieWEZ gesetzt, muss der Kollektor wegen der jährlich nachzuweisenden Mindesterzeugung von 30 Prozent der Referenzwärme stark überdimensioniert werden. Die hierfür notwendigen Flächen sind meist nicht vorhanden. Beim Wärmepumpenbetrieb dürfen aber die laufenden Kosten und der Strombedarf im jeweiligen Auslegungspunkt nicht vernachlässigt werden.

Ebenfalls sehr beachtenswert: Jedes Projekt, welches einen Zuschlag bekommt, verpflichtet sich, innerhalb von 48 Monaten in Betrieb zu gehen. Dafür ist eine Sicherheitsleistung von 70,- Euro pro kW installierter elektrischer KWK-Leistung zu hinterlegen. Ein Rückzug von Geboten nach dem Zuschlag ist nicht mehr zulässig.

Fazit

Nur mit viel Pioniergeist gepaart mit Erfahrung aus zahlreichen realisierten Projekten, detaillierter und fundierter Betrachtung des Einzelprojekts lassen sich die Vorteile von iKWK-Systemen erschließen und die Projektrisiken minimieren. Zudem erfordert die hohe Komplexität jedes iKWK-Systems bei dessen Ausgestaltung fundiertes ingenieurtechnisches Know-how und hohe Expertise.

Weitere Informationen im Internet unter: www.gammel.de

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