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)

1.!1 .... C1l

"C

..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