Innovative Lösungs- und Entwicklungskonzepte zur Marktbereitung für solare Wärmenetze in der Wohnungswirtschaft HIR Hamburg Institut Research gGmbH 2 Innovative Lösungs- und Entwicklungskonzepte zur Marktbereitung für solare Wärmenetze in der Wohnungswirtschaft Autoren: Dr. Matthias Sandrock, Dr. Nikolai Strodel, Christian Maaß, Dr. Alexandra Purkus, Dr. Hilmar Westholm, Jonathan Claas-Reuther, Felix Landsberg, Eva Augsten HIR Hamburg Institut Research gGmbH Paul-Nevermann-Platz 5 22765 Hamburg www.hamburg-institut.com Hamburg, 2020 Wir bedanken uns für die Unterstützung aus der Wohnungswirtschaft durch: GdW Bundesverband deutscher Wohnungs- und Immobilienunternehmen e. V. VNW Verband norddeutscher Wohnungsunternehmen e.V. WGH Wohnungsbaugenossenschaft Halberstadt eG Dieser Bericht wurde im Rahmen des Vorhabens: „Solnet 4.0 - Innovative Lösungs- und Entwicklungskonzepte zur Marktbereitung für solare Wärmenetze“ erstellt. Förderkennzeichen: 03EGB0002A, 03EGB0002B, 03EGB0002C Laufzeit des Vorhabens: 1.8.2017 - 30.9.2020 Gefördert durch: Haftungsausschluss: Das dieser Publikation zugrundeliegende Vorhaben wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter dem Förderkennzeichen 03EGB0002A gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieses Dokuments liegt bei den AutorInnen. Weder der Fördermittel-geber noch die AutorInnen übernehmen Verantwortung für jegliche Verwendung der darin enthaltenen Informationen. 3 Inhalt A Bedeutung der Solarthermie für den Klimaschutz im Gebäudesektor ............. 5 1. Potenzial und Nutzungseigenschaften ..................................................... 5 2. Derzeitiger Marktstatus ............................................................................ 8 3. Entwicklungsperspektiven ...................................................................... 12 4. Rolle der Wohnungswirtschaft ............................................................... 14 B Anwendungsoptionen der Solarthermie im Wohnungsbau ........................... 16 1. Gebäudeorientierte Nutzung .................................................................. 16 1.1. Warmwasserbereitung.................................................................... 17 1.2. Heizungsunterstützung ................................................................... 17 1.3. Solarhäuser ..................................................................................... 18 2. Solarthermisch unterstützte Wärmenetze ............................................. 19 2.1. Wärmenetze für Trinkwarmwasser ................................................ 20 2.2. Wärmenetze für Raumheizung und Trinkwarmwasser .................. 21 2.3. Wärmenetze mit saisonaler Speicherung ....................................... 22 C Kosten und Wirtschaftlichkeit ......................................................................... 24 1. Investitionskosten ................................................................................... 24 2. Betriebskosten ........................................................................................ 25 3. Wärmegestehungskosten ....................................................................... 25 4. Förderung ............................................................................................... 26 D Rechtlicher Rahmen ........................................................................................ 29 1. Europäischer Regelungsrahmen ............................................................. 29 1.1. Europäisches Klimagesetz ............................................................... 29 1.2. Europäische Klimaschutzverordnung .............................................. 30 1.3. Europäische Governance-Verordnung ............................................ 30 1.4. Europäische Gebäudeeffizienzrichtlinie ......................................... 31 1.5. Europäische Erneuerbare-Energien-Richtlinie ................................ 31 1.6. Europäische Effizienz-Richtlinie ...................................................... 32 1.7. Europäische Emissionshandelsrichtlinie ......................................... 32 2. Nationaler Regelungsrahmen ................................................................. 33 2.1. Bundes-Klimaschutzgesetz .............................................................. 33 2.2. Gebäudeenergiegesetz ................................................................... 33 2.3. Brennstoff-Emissionshandelsgesetz ............................................... 35 2.4. Wärmelieferverordnung ................................................................. 35 2.5. AVBFernwärmeverordnung ............................................................ 36 2.6. Bauordnungsrecht für gebäudeorientierte Solaranlagen ............... 37 2.7. Planungs- und Genehmigungsrecht für solare Freiflächenanlagen 37 4 E Hemmnisse ...................................................................................................... 39 1. Bekanntheit und Image........................................................................... 39 2. Rechtliche Hemmnisse ............................................................................ 40 3. Flächenverfügbarkeit .............................................................................. 42 4. Technische Herausforderungen .............................................................. 43 5. Wirtschaftliche Hemmnisse .................................................................... 44 F Technische Lösungsansätze ............................................................................. 45 1. Saisonale Wärmespeicherung im Quartier ............................................. 45 2. Dezentrale Einspeisung in das Fernwärmenetz ...................................... 48 3. Sektorkopplung mit dem Stromsystem .................................................. 50 4. Multikodierte Flächennutzung ............................................................... 52 G Organisatorische und rechtliche Lösungsansätze ........................................... 58 1. Wärmenetze in eigener Verantwortung der Wohnungswirtschaft ........ 58 2. Contracting und Betreibermodelle ......................................................... 59 3. Warmmieten-Modelle ............................................................................ 61 4. Bivalente Netzversorgung mit Solarthermie .......................................... 62 5. Geschäftsmodelle zur Netznutzung ........................................................ 66 6. Herkunftsnachweise und Bilanzierung von Wärme ............................... 68 H Fallbeispiele ..................................................................................................... 73 1. Freiburg: Neue Energie für alte Mauern ................................................. 73 2. Hamburg-Harburg: Sonnenernte für den Winter einfrieren .................. 75 3. Rostock-Brinckmannshöhe: Solarwärme aus dem Untergrund ............. 79 4. Frankfurt-Unterliederbach: Sozialer und solarer Wohnungsbau ........... 81 5. Düsseldorf: Optimierung der dezentralen Solareinspeisung .................. 83 6. Hamburg-Wilhelmsburg: Einspeisetarif für Solarwärme ........................ 85 7. Berlin-Adlershof: Das Wärmenetz als Speicher nutzen .......................... 87 8. Cottbus-Sandow: Sonnenhäuser mit Energie-Flatrate ........................... 89 9. Graz-Waltendorf: Solarcontracting am Berliner Ring ............................. 92 I Literaturverzeichnis ......................................................................................... 94 5 A Bedeutung der Solarthermie für den Klimaschutz im Gebäudesektor 1. Potenzial und Nutzungseigenschaften Die Solarthermie wird als Baustein der Energiewende im Wärmebereich in der öffentlichen Wahrnehmung oft unterschätzt. Das theoretische Energiepotenzial der Solarstrahlung ist immens groß und flächendeckend verfügbar. Die während nur einer Stunde auf die Erdoberfläche eingestrahlte Solarstrahlung entspricht etwa dem globalen Energiebedarf eines ganzen Jahres. In Deutschland beträgt die jährliche Solarstrahlung etwa 1.000 kWh je m² Landfläche, daraus ergibt sich ein – theoretisches – Potenzial von 357.000 TWh. Zum Vergleich: die jährlich notwendige Wärmemenge für Heizung und Warmwasser in den Wohngebäuden beträgt etwa 500 TWh. Im Süden Deutschlands scheint die Sonne mehr und kräftiger als im Norden. Jedoch sind diese Unterschiede nicht so gravierend, wie es die Darstellung in den üblichen Strahlungskarten vermuten läßt. Auch im Norden ist eine wirtschaftliche Nutzung der Solarthermie möglich. Die Nutzung der Solarthermie ist möglich über dezentrale (gebäudebezogene) Anwendungen oder über die Einspeisung der Solarwärme in Nah- und Fernwärmesysteme (zentrale Anwendung). Das technisch nutzbare Potenzial der dezentralen Solarthermie wird in verschiedenen wissenschaftlichen Studien mit Werten in einem Korridor zwischen 78 und 120 TWh jährlich beziffert. (Corradini, 2013) (Jochum, et al., 2017). Für die zentrale Anwendung der Solarthermie wurden im BMWi-Projekt AIRE etwa 92 TWh ermittelt (IFEU, 2020). Gegenüber dem technischen Potenzial hängt das wirtschaftlich erschließbare Potenzial der Solarthermie von vielen energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen ab, wie etwa den Referenzkosten einer fossilen Energieversorgung, der Förderkulisse oder der (künftigen) Bepreisung von CO2-Emissionen. Auch die jeweilige Kombination der Solarthermieanlage mit anderen Erzeugungstechniken beeinflußt das wirtschaftliche Potenzial. Beispielhaft kann durch eine Kombination von Wärmepumpen mit Solarthermie die Wärmequelle der Wärmepumpe regeneriert werden und so ein Zusatznutzen generiert werden. Bei der zentralen Anwendung der Solarthermie in Wärmenetzen sind weitere Kriterien wie etwa die Konkurrenz durch andere Wärmequellen (z.B. Müllverbrennungsanlagen) zu berücksichtigen. Für die Abschätzung künftiger Ausbaupotenziale ergeben sich somit große Unsicherheiten. Das wirtschaftliche Potenzial der Solarthermie kann für den dezentralen Sektor mit Werten zwischen 18 und 33 TWh jährlich abeschätzt werden (Sterchele, et al., 2020). Für den Bereich der zentralen Solarthermieanwendung mit Einbindung in Wärmenetze ergeben sich je nach zugrunde gelegtem Szenario Potenzialwerte von 6 bis zu 55 TWh jährlich (Gerhardt, et al., 2019) (Gerbert, et al., 2018). Hieraus wird deutlich, dass ein großer Teil des heutigen Wärmebedarfs im Gebäudesektor über die Energiequelle Solarthermie abgedeckt werden könnte. Das Potenzial der Solarenergie übersteigt den Wärmebedarf um ein Vielfaches Das wirtschaftlich nutzbare Potenzial hängt stark von den energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen ab Ein großer Teil des heutigen Wärmebedarfs im Gebäudebereich könnte solar gedeckt werden. 6 Im Gegensatz zur Verwendung fossiler Brennstoffe ist die Nutzung der Solarstrahlung mit nahezu keinen umweltschädlichen Wirkungen verbunden. Es enstehen keine Emissionen, keine Risiken und keine Altlasten. Solarkollektoren werden in verschiedenen Bauarten für die Energiegewinnung eingesetzt. Entscheidend ist hier das erforderliche Nutztemperaturniveau. Unverglaste Absorber können bei sehr niedrigem Temperaturniveau eingesetzt werden (Freibäder) oder in Verbindung mit Wärmepumpen (Luftkollektoren). Flachkollektoren sind die üblichste Bauform für Raumheizung und Warmwasser. Für höhere Temperaturen können Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt werden. Konzentrierende Kollektoren kommen bei sehr hohen Temperaturen zum Einsatz (industrielle Prozesswärme). Der Wirkungsgrad der Solarkollektoren für die Umwandlung der Solarstrahlung in nutzbare Wärme beträgt etwa 30 – 50%. Dabei sind der Kollektortyp und die Nutztemperatur entscheidend. Niedrige Nutztemperaturen begünstigen den Wirkungsgrad der Kollektoren. Die eingestrahlte Solarenergie konzentriert sich zu etwa ¾ auf das Sommerhalbjahr. Der Gebäude-Wärmebedarf ist jedoch in der Heizperiode am größten, im Sommer hauptsächlich auf Warmwasserbereitung beschränkt. Dieses gegenläufige Verhältnis zwischen Energiedargebot und -bedarf beschränkt die Nutzung der Solarthermie bzw. erfordert speziell angepasste Techniken. Abbildung 1: Solare Einstrahlung und Nutzungsmöglichkeiten im Gebäudebestand (Bildquelle: Solites) Die Auslegung einer dezentralen Solarthermieanlage zur Warmwasserbereitung nach der VDI-Richtlinie 6002 (Solare Trinkwassererwärmung) führt im Gebäudebestand1 zu einem sehr geringen solaren Deckungsgrad am gesamten gebäudebezogenen Wärmebedarf von nur etwa 3%. Üblicherweise wird jedoch eine derartige 1 Bei neu errichteten Gebäuden hat durch den verbesserten baulichen Wärmeschutz der Energiebedarf für Warmwasser gegenüber der Raumheizung einen wesentlich höheren Anteil. Entsprechend erhöhen sich dadurch auch die möglichen solaren Anteile am gebäudebezogenen Wärmebedarf. Die Nutzung hat nahezu keine schädlichen Umweltauswirkungen. Etwa ¾ der Solar-strahlung entfällt auf das Sommerhalbjahr 7 Solarthermieanlage so ausgelegt, dass im Sommer der Warmwasserbedarf komplett durch die Anlage abgedeckt wird. Mit einer solchen Anlagenkonfiguration können etwa 7 % des Gebäudewärmebedarfs gedeckt werden. Mit größeren Kollektorflächen und Nutzung der Solarwärme auch für die Raumheizung kann dieser Wert auf etwa 15-20 % erhöht werden. Werden noch höhere Anteile der Solarthermie am Wärmebedarf gewünscht, muss die eingestrahlte Solarwärme bis zur Nutzung in der Heizperiode gespeichert werden. Mit dem Einsatz saisonaler Wärmespeicher bei solarthermisch unterstützten Wärmenetzen können solare Anteile von mehr als 50 % erreicht werden. Hier stehen verschiedene Bauarten saisonaler Speicher zur Verfügung. Mit saisonaler Speicherung können solare Anteile am Wärmebedarf von mehr als 50% erreicht werden 8 2. Derzeitiger Marktstatus Generell hat sich die Solarthermie in Deutschland als Technologie zur Warmwasserbereitung und Unterstützung der Raumheizung in Wohngebäuden mit großer Verbreitung bewährt. Thermische Sonnenkollektoren und die zugehörigen Systemlösungen haben einen hohen technischen Standard erreicht. In Deutschland sind derzeit thermische Solaranlagen mit einer kumulierten Gesamtkollektorfläche von etwa 19,3 Mio. Quadratmetern installiert und leisten einen Beitrag zur Wärmeversorgung von etwa 8,5 TWh jährlich (Stand 12/2019).2 Insgesamt stellen die erneuerbare Energien im Wärmesektor mit einer Energiemenge von etwa 176 TWh im Jahr 2019 einen Anteil von etwa 14,5 % des gesamten Endenergieverbrauchs an Wärme und Kälte. Die Solarthermie liefert davon einen Anteil von etwa 5 %. Abbildung 2: Endenergieverbrauch an Wärme aus erneuerbaren Energien im Jahr 2019, Quelle: Umweltbundesamt Auf den gesamten Energiebedarf an Wärme bezogen liegt der Anteil der Solarthermie nur bei etwa 1 %. Jedoch steht der Strukturwandel im Wärmesektor zu erneuerbaren Energien noch am Anfang und es wird vor dem Hintergrund der Zielsetzung eines künftig klimaneutralen Gebäudebestands ein deutliches Marktwachstum in den nächsten Jahren erwartet (s. Kapitel A3). 2 Diese Zahlen beziehen sich auf die amtliche Statistik der AGEE-Stat (Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik). Die Werte sind geringer als die der Branchenstatististik des BSW (Bundesverband Solarwirtschaft), da die AGEEStat im Gegensatz zum BSW einen Rückbau von Anlagen nach einer Lebensdauer von 20 Jahren voraussetzt. Solarthermie liefert etwa 5 % des Anteils an erneuerbaren Energien im Wärmesektor 9 Entwicklungen in den letzten Jahren Deutschland war in den 1990er und Anfang der 2000er Jahre mit großem Abstand der größte Solarthermiemarkt Europas. Dieser Rang konnte zumindest in absoluten Zahlen bislang noch gehalten werden, jedoch ist der jährliche Ausbau seit dem Rekordjahr 2008 bis einschließlich 2019 fast stetig zurückgegangen. Abbildung 3: Eigene Darstellung auf der Grundlage der Verbandsstatistik BSW/BDH Stand: 03/2020 Der weitaus größte Teil des Solarthermiemarktes in Deutschland entfällt auf relativ kleine Dachanlagen im Bereich der von den Eigentümern selbst genutzten Ein- und Zweifamilienhäuser. Genaue statistische Daten liegen hierzu nicht vor. Von verschiedenen Marktexperten wird jedoch der Anteil dieser Kleinanlagen auf mehr als 95 % des Marktes geschätzt. Andere Solarthermie-Anwendungen wie etwa im Bereich des Mietwohnungsbaus oder im Bereich Industrie und Gewerbe stehen demgegenüber deutlich zurück. Marktsituation im Mietwohnungsbau Auch für den hier im Fokus stehenden Bereich der Mietwohngebäude stehen nur wenig belastbare Daten zur Verfügung. Eine Unterstützung des Projekts erfolgte freundlicherweise durch den GdW Bundesverband deutscher Wohnungs- und Immobilienunternehmen e.V. Nach eigener Aussage repräsentiert der GdW rund 3.000 kommunale, genossenschaftliche, kirchliche, privatwirtschaftliche, landes- und bundeseigene Wohnungsunternehmen. Insgesamt bewirtschaften diese Unternehmen etwa 30 % aller Mietwohnungen in Deutschland. Nach einer internen Statistik3 des GdW waren im Jahr 2016 etwa 3.480 Solarkollektoranlagen mit ingesamt etwa 106.000 m² Kollektorfläche bei den Mitgliedsunternehmen installiert. Dies entspräche einem Anteil von etwa 0,6 % der insgesamt installierten Kollektorfläche. 3 Persönliche Mitteilung des GdW 0,00 0,00 200,00 200,00 400,00 400,00 600,00 600,00 800,00 800,00 1000,00 1000,00 1200,00 1200,00 1400,00 1400,00 1600,00 1600,00 1800,00 1800,00 2000,00 2000,00 2000 2000 2001 2001 2002 2002 2003 2003 2004 2004 2005 2005 2006 2006 2007 2007 2008 2008 2009 2009 2010 2010 2011 2011 2012 2012 2013 2013 2014 2014 2015 2015 2016 2016 2017 2017 2018 2018 2019 2019 Zubau an Solarkollektorfläche in 1.000 m² Zubau an Solarkollektorfläche in 1.000 m² Zubau an Kollektorfläche 2000 --20192019 Flachkollektor Flachkollektor Vakuumkollektor Vakuumkollektor Der Solarthermiemarkt ist in Deutschland seit etwa 10 Jahren rückläufig Etwa 95 % des Marktes entfallen auf kleine Anlagen im Ein- und Zweifamilienhaus-bereich 10 Wird vorausgesetzt, dass der GdW-Anteil am Mietwohnungsmarkt in Deutschland etwa 1/3 beträgt und auch im restlichen Mietwohnungsmarkt eine ähnliche Verbreitung von Solarthermieanlagen zu finden ist, kann der Anteil am gesamten Solarthermiemarkt mit etwa 1,5 - 2 % abgeschätzt werden. Vor dem Hintergrund, dass etwa 57% der Haushalte in Deutschland zur Miete wohnen4, ist dieser Marktanteil sehr gering. Aufschlussreich ist auch die Entwicklung der installierten Solaranlagen im Bereich der GdW-Mitgliedsunternehmen aufgeteilt nach Solarthermie-Anlagen und Fotovoltaik-Anlagen zur Stromerzeugung. Abbildung 4: Installierte Solaranlagen bei GdW-Unternehmen (Daten: GdW) Während in den Jahren bis 2010 zahlenmäßig noch mehr Solarthermie-Anlagen als Photovoltaik- Anlagen in Betrieb waren, hat sich das Verhältnis seitdem umgekehrt. Diese Entwicklung dürfte sich in den letzten Jahren seit 2016 weiter zugunsten der Photovoltaik fortgesetzt haben. Solarthermisch unterstützte Wärmenetze Im Gegensatz zu dem insgesamt rückläufigen Solarthermiemarkt in Deutschland zeigt sich in den letzten Jahren eine positive Marktentwicklung im Bereich großflächiger Solaranlagen mit Einbindung in Nah- und Fernwärmenetze. Sehr oft werden diese Anlage nicht auf Gebäudedächern, sondern als Freiflächenanlagen errichtet. Ende 2019 waren in Deutschland etwa 38 solarthermische Großanlagen mit einer einer Kollektorfläche von etwa 75.000 Quadratmetern in Wärmenetze eingebunden und in Betrieb. Die Kollektorfläche in diesem Marktsegment hat sich im Jahr 2019 gegenüber dem Vorjahr verdoppelt. Mitte des Jahres 2020 wurde die Schwelle von 100.000 Quadratmetern überschritten. Auch für die kommenden Jahre ist nach dem Stand der in Bau und Planung befindlichen Projekte unter Berücksichtigung ihrer verschiedenen Realisierungs-wahrscheinlichkeiten eine deutliche Steigerung in diesem Marktsegement zu erwarten. Die prognostizierte Marktentwicklung bis 2025 geht von einer Verdopplung 4 https://de.statista.com/statistik/daten/studie/237719/umfrage/verteilung-der-haushalte-in-deutschland-nach-miete-und-eigentum/ 0 0 1.000 1.000 2.000 2.000 3.000 3.000 4.000 4.000 5.000 5.000 6.000 6.000 2001 2001 2005 2005 2007 2007 2010 2010 2013 2013 2016 2016 Anzahl der Anlagen Anzahl der Anlagen Installierte Solaranlagen bei GdW--UnternehmenUnternehmen Solarthermie Solarthermie Photovoltaik Photovoltaik Obwohl mehr als 50 % der Haushalte in Miet-wohnungen wohnen, beträgt der Anteil am Solarthermiemarkt nur etwa 2 % Eine positive Markt-entwicklung zeigt sich im Bereich der solaren Wärmenetze. 11 der Anlagenzahl auf mehr als 80 und einem Ausbau auf gut 300.000 Quadratmeter Kollektorfläche aus. 5 Abbildung 5: Reale und prognostizierte Marktentwicklung bei solarthermischen Großanlagen mit Einbindung in Wärmenetze (Quelle: Solites) Ursächlich für diesen Trend sind vor allem die deutlich geringeren Wärme-gestehungskosten der solaren Großanlagen gegenüber den kleinen Anlagen auf Ein- und Zweifamilienhäusern (s. Kap. C). Welchen Einfluß das Segment der Wärmenetze bei geeigneten energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen auf den Solarmarkt insgesamt haben kann, zeigt die Entwicklung im Nachbarland Dänemark. Dort nimmt die Solarthermie als Erzeugungsoption für Wärmenetze mittlerweise einen wichtige Rolle im Mix der verschiedenen erneuerbaren Energien ein. Mehr als 150 Großanlagen mit mehr als 1,3 Mio. Quadratmetern Kollektorfläche sind in Dänemark bereits installiert. Dies hat dazu geführt, dass die pro Kopf installierte Kollektorfläche in Dänemark in den letzten Jahren eine rasante Marktentwicklung zeigt und weit über den anderen europäischen Ländern liegt. 5 Solites (2020): Solare Nah- und Fernwärme in Deutschland. Online verfügbar unter https://www.solar-district-heating.eu/de/aktuelles/medien/ In Dänemark sind große Freiflächenanlagen weit verbreitet 12 Abbildung 6: Entwicklung des Solarthermiemarkts pro Einwohner in Europa (Quelle: Solar Heat Europe) 3. Entwicklungsperspektiven Auch wenn derzeit die Solarthermie mit weniger als 1 % Anteil noch einen vergleichsweise geringen Beitrag zur Deckung des gesamtem Wärmebedarfs beiträgt, so ist doch davon auszugehen, dass dieser Anteil in Zukunft deutlich ansteigen wird. Für das Ziel eines langfristig klimaneutralen Gebäudebestandes ist neben der energetischen Modernisierung der Gebäude die Transfomation der Wärme-versorgung zur Nutzung erneuerbaren Energien und unvermeidbarer Abwärme der wichtigste Hebel. Es ist weder realistisch noch kosteneffizient, die Klimaschutzziele im Gebäudesektor ausschließlich über Effizienzmaßnahmen anzustreben. Ohne eine dynamische Zunahme der erneuerbaren Energien im Wärmesektor würden die Kosten für die dann zusätzlich erforderlichen Effizienzmaßnahmen erheblich steigen. Verschiedene volkswirtschaftliche Studien wie auch die Leitszenarien der Bundesregierung deuten hierbei auch auf eine steigende Bedeutung der Solarthermie für den Wärmemarkt hin. Zwar ist die Solarthermie angesichts konkurrierender Technologien wie Wärmepumpen und Biomasse nicht alternativlos, dürfte aber doch in einem überwiegend auf erneuerbaren Energien beruhenden Energiemix für den Wärmebereich weitaus größere Bedeutung als bisher gewinnen. Nach der im Jahr 2015 veröffentlichten Energieeffizienzstrategie Gebäude der Bundesregierung steigt im Zielszenario „Erneuerbare Energien“ (36 % Endenergie-einsparung, 69 % erneuerbare Energien) der Anteil der Solarthermie am Energie-bedarf für Raumwärme und Warmwasser im Jahr 2050 auf einen Wert von etwa 18 %. Nach den Ergebnissen dieses Szenarios werden etwa 93 TWh jährlich über die Solarthermie erzeugt, davon 11 TWh zentral über Wärmenetze. (BMWi, 2015) Die BDI-Studie „Klimapfade für Deutschland“ (Gerbert, et al., 2018) aus dem Jahr 2018 geht in ihrem Szenario mit 95 % Treibhausgasemission davon aus, dass im Jahr 2050 ein Anteil von 16 % des Wärmebedarfs für Gebäude über Solarthermie gedeckt wird. Bei einem dort zugrunde gelegten Wärmebedarf von insgesamt 383 TWh werden Die Bedeutung der Solarthermie im künftigen Energiemix wird stark ansteigen 13 nach diesem Szenario 41 TWh über dezentrale Solarthermie erbracht und 20 TWh zentral über die Einspeisung in Wärmenetze. Nach dem Szenario der 2020 erschienenen Studie „Klimaneutrales Deutschland“ (Prognos; Öko-Institut; Wuppertal Institut, 2020) werden im Jahr 2050 etwa 45 TWh über Solarthermie erzeugt, davon 13 TWh zentral über Wärmenetze. Insgesamt deckt die Solarthermie nach diesem Szenario etwa 7 % des Wärmebedarfs im Gebäudesektor. Abbildung 7: Möglicher Beitrag der Solarthermie zur Deckung des gebäudebezogenen Wärmebedarfs in 2050 Der Blick auf das Jahr 2050 ist naturgemäß mit vielen Unsicherheiten in Bezug auf die künftigen energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen behaftet. Allen betrachteten Szenarien ist jedoch gemeinsam, dass ◼ der Beitrag der Solarthermie zum Wärmebedarf im Gebäudesektor gegenüber dem status quo sehr deutlich anwachsen wird und ◼ ein wesentlicher Anteil der solaren Wärme zentral über Wärmenetze bereit gestellt werden wird. Der künftige Wachstumspfad der Solarthermie im Bereich der zentralen Erzeugung hängt stark vom Ausbau der Fernwärme-Infrastruktur in Deutschland und der Transformation der Fernwärmeerzeugung zu erneuerbaren Energien und Abwärme ab. Mit einem starken Ausbau der Fernwärme-Infrastruktur in Deutschland gewinnt auch die Option der Solarthermie über die Integration in die Wärmenetze eine stärkere Bedeutung. 0 0 10 10 20 20 30 30 40 40 50 50 60 60 70 70 80 80 90 90 100 100 Status Quo Status Quo BMWi BMWiEffizienzstrategieEffizienzstrategie(2050)(2050) Klimapfade für Klimapfade fürDeutschlandDeutschland(2050)(2050) Klimaneutrales KlimaneutralesDeutschlandDeutschland(2050)(2050) TWh/a TWh/a Beitrag der Solarthermie zur Gebäudewärme 2050 Solarthermie dezentral Solarthermie dezentral Solarthermie in Wärmenetzen Solarthermie in Wärmenetzen 14 4. Rolle der Wohnungswirtschaft Die Wohnungswirtschaft hat in diesem Themenkreis mehrere Rollen. Einerseits nimmt der Mietwohnungsbau die Rolle des größten Abnehmers von Fernwärme in Deutschland ein und andererseits betreibt die Wohnungwirtschaft zahlreiche Quartiers-Wärmenetze in eigener Verantwortung. Insgesamt werden knapp die Hälfte des im GdW vetretenen Wohnungsbestandes über Fernwärme versorgt. Die Unterschiede zwischen den alten und den neuen Bundesländern sind dabei beträchtlich: Während in den alten Bundesländern etwa 29 % über Fernwärme versorgt werden, sind dies in den neuen Bundesländern etwa 71 %. (Viering, 2015) Grundsätzlich ist die Wohnungswirtschaft an einer Wärmeversorgung durch Dritte sehr interessiert. Gerade vor dem Hintergund, dass die energetische Gebäude-sanierung in der Wohnungswirtschaft erkennbar an Grenzen stößt, kann die zunehmende Integration erneuerbarer Wärme in die Fernwärmeversorgung eine gute Perspektive für sozialverträgliche Wärmepreise auf dem Weg zur Klimaneutralität im Gebäudebestand darstellen. Für Axel Gedaschko (Präsident des GdW Bundesverband deutscher Wohnungs- und Immobilienunternehmen) „kommt dem letztlich bezahlbaren Umbau der Fernwärme-systeme eine herausragende Bedeutung für einen sozial vertretbaren Pfad zur Erreichung der Klimaziele zu, denn es zeige sich immer deutlicher, dass trotz aller Investitionen in die Energieeffizienz weder der Energieverbrauch, noch der CO2-Footprint der Wohnungen wie eigentlich erwartet absinken“. (Gedaschko, 2020) Ein größerer Anteil der Solarthermie bei der Erzeugung von Fernwärme sowie der zu erwartende Ausbau der Fernwärme führen dazu, dass die Mieter künftig einen Teil ihres Wärmebedarfs über solarthermisch erzeugte Fernwärme decken können. Ein anderer (und bisher wenig beachteter) Aspekt ist die Rolle der Wohnungswirtschaft als Eigentümer und Betreiber von Wärmenetzen. Insbesondere zur Wärmeversorgung von Wohnquartieren werden Wärmenetze nicht nur von der klassischen Fernwärmewirtschaft oder Contractoren betrieben, sondern auch von den Wohnungsunternehmen selbst. Bei diesen Wärmenetzen können die Wohnungsunternehmen selbst und direkt Einfluß nehmen auf den Erzeugungsmix. Die bisherigen Erfahrungen mit dem Einsatz von Solarthermie in der Wohnungswirtschaft, die Hemmnisse gegenüber einer stärkeren Verbreitung und mögliche Lösungsansätze für eine stärkere Marktverbreitung wurden am 29. Oktober 2018 in einem Workshop beim Verband norddeutscher Wohnungsunternehmen in Hamburg diskutiert. Sie sind mit eingeflossen in diesen Fachbericht. Die Wohnungswirtschaft hat mehrere Rollen bei der künftigen Entwicklung solarer Wärmenetze 15 Abbildung 8: Workshop zu solaren Wärmenetzen in der Wohnungswirtschaft am 29.10.2018 in Hamburg (Foto: Hamburg Institut) 16 B Anwendungsoptionen der Solarthermie im Wohnungsbau Die Solarthermie kann auf unterschiedliche Art und Weise zur anteiligen Deckung des Wärmebedarfs im Wohnungsbau eingesetzt werden. Die Nutzung kann dabei dezentral (gebäudeorientiert) oder zentral über Wärmenetze erfolgen. In den meisten Ländern wird Solarwärme vor allem dezentral am jeweiligen Gebäude gewonnen und genutzt. Die größte Ausnahme ist Dänemark, hier wird der Solarmarkt durch großflächige Kollektoranlagen in Freilandaufstellung dominiert, die Wärme in Nah- und Fernwärmenetze einspeisen. 1. Gebäudeorientierte Nutzung Bei der gebäudeorientierten Nutzung werden die Sonnenkollektoren meist auf Dachflächen montiert, seltener an der Fassade. Wesentlich für die technische Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit sind daher vor allem die Einstrahlung auf das Dach, die Dachstatik, die Koordinierung mit bevorstehenden Dachsanierungen, die Leitungsführung vom Dach in den Heizungsraum sowie genügend Platz für einen Wärmespeicher. Je nach Nutzungsart und – umfang kann die gebäudeorientierte Solarthermienutzung in verschiedene Kategorien eingeteilt werden: von der reinen Warmwasserbereitung, bei der nur ein vergleichsweise geringer Anteil der Wärme durch Solarthermie erzeugt wird bis hin zu den sogenannten Solarhäusern, deren Wärmebedarf überwiegend solar gedeckt wird. Abbildung 9: Arten der gebäudeorientierten Nutzung von Solarthermie Bei allen Nutzungsarten hängt der spezifische Solarertrag (in kWh pro Quadratmeter Kollektorfläche) und damit auch die Wirtschaftlichkeit stark davon ab, dass im Sommer ein möglichst großer Anteil der verfügbaren Solarwärme genutzt wird. Erfolgt keine Wärmeabnahme bzw. ist der Wärmespeicher voll beladen, stoppt der Kollektorkreislauf – die Anlage geht in Stagnation. Die Temperatur im Kollektorkreis steigt dann stark an. Eine gut geplante und ausgeführte Solaranlage kann diesen Zustand verkraften, doch sowohl wegen der Belastung des Materials als auch im Sinne der Wirtschaftlichkeit ist eine möglichst hohe Wärmenutzung auch im Sommer erstrebenswert. Das ist bei Mehrfamilienhäusern leichter zu gewährleisten als bei Einfamilienhäusern, da die Abnahme gleichmäßiger ist. Bisher dominiert die gebäudeorientierte Nutzung der Solarthermie 17 1.1. Warmwasserbereitung Die Warmwasserbereitung ist der Klassiker unter den Solarthermie-Nutzungsformen: In den Sonnenkollektoren wird ein Wärmeträgermedium (in der Regel Wasser mit Frostschutzmittel) erhitzt. Das heiße Fluid strömt durch den Kollektorkreislauf in den Heizungsraum und wird dort in der Regel über einen Wärmetauscher an den Warmwasserspeicher abgegeben. Die Anlagen werden im Ein- und Zweifamilienhausbereich meist so dimensioniert, dass sie im Sommer den gesamten Warmwasserbedarf decken, im Jahresmittel etwa die Hälfte. Für die solare Warmwasserbereitung gilt als Faustformel eine Kollektorgröße von 1,2 bis 1,5 m² pro Person. Das Speichervolumen liegt bei etwa 80 bis 100 Litern pro Quadratmeter Kollektorfläche (bei Flachkollektoren). Im Wohnungsbau hat die Wirtschaftlichkeit der Solaranlage im Regelfall eine hohe Bedeutung. Hier ist es erforderlich, möglichst hohe Systemnutzungsgrade und damit hohe spezifische Erträge zu erzielen. Aus diesem Grund werden die Anlagen hier oft mit geringerer Dimensionierung der Kollektorfläche je Person ausgelegt. Dies führt im Ergebnis zu höheren Wirkungsgraden, jedoch auch eines kleineren solaren Anteils am Warmwasser-Wärmebedarf. Eine sehr wichtige Grundlage für die Auslegung der Anlage ist die Kenntnis des tatsächlichen Warmwasserverbrauchs. Dies kann bei bestehenden Gebäuden über die Warmwasserverbrauchmessungen erfolgen, im Neubau muss der Bedarf über Vergleichswerte abgeschätzt werden. Ausgehend vom Warmwasserverbrauch im Gebäude können etwa 1 m² Flach-kollektorfläche je 50 Liter Warmwasserverbrauch (60°C) pro Tag als Richtwert angesetzt werden. Hiermit läßt sich auf das Jahr bezogen eine mittlere solare Deckung von 35-45 % des Warmwasser-Energiebedarfs erzielen. Bei einem angenommen mittleren Warmwasserverbrauch von 70 Litern (60°C) pro Wohneinheit ergibt dies bei Flachkollektoren etwa 1,5 m² pro Wohneinheit. Wichtig bei der Dimensionierung der Anlagen ist auch die Größe des Speichers. Im Bereich der solarthermischen Anlagen im Wohnungsbau haben sich Systeme durchgesetzt, bei denen der überwiegende Teil des notwendigen Wasservolumens in Pufferspeichern bevorratet und nur noch ein relativ kleiner Bereitschaftsspeicher mit Trinkwasser befüllt wird, oder das warme Trinkwasser im Durchflusssystem bereitgestellt wird. Ein Richtwert für die Größe des Pufferspeichers sind hier Speichergröße Pufferspeicher 50 Liter je m² Kollektorfläche. Typische Erträge für die solare Warmwasserbereitung liegen bei 300 - 400 Kilowattstunden pro Quadratmeter Kollektorfläche. Mit der solaren Warmwasserbereitung können im Gebäudebestand etwa 5-10 % des gesamten Wärmebedarfs (Raumheizung + Warmwasser) solar bereitgestelt werden. Im Neubau lassen sich höhere Werte erzielen, da hier der Heizbedarf geringer ist. 1.2. Heizungsunterstützung Für eine Heizungsunterstützung wird die Kollektorfläche größer ausgelegt. Die in der Literatur empfohlenen Kollektorflächen variieren stark. Für den Fall der solaren Heizungsunterstützung ist gegenüber der reinen Warmwasserbereitung eine Verdopplung der spezifischen Kollektorfläche und entsprechende Anpassung des Speichervolumens empfehlenswert. Diese Richtwerte geben eine erste Abschätzung, ersetzen jedoch nicht die objektspezifische Fachplanung. Warmwasserbereitung: der Klassiker in der Solarthermie Grober Richtwert für die Warmwasser-Anlagen: 1 m² Kollektor je 50 Liter Warmwasserverbrauch 18 Im Rahmen eines vom BMWi geförderten Forschungsprojekts „Solar unterstützte Wärmezentralen in Mehrfamilienhäusern“ wurden insbesondere die Potenziale einer verbesserten Systemintegration der Solarwärme das Heizsystem durch hydraulisch optimierte Übergabestationen untersucht. (Adam, Backes, Wirth, Eggert, & Helbig, 2018) Ein Beispiel für eine an die besonderen Erfordernisse von Mehrfamilienhäusern angepasste technische Lösung ist der „Juri Energiemanager“ des Unternehmens Parabel Energiesysteme GmbH. Es handelt sich dabei um eine hydraulische Steuerungseinheit, die im Heizsystem die Solarwärme dort nutzt, wo der größten Einspareffekt zu erzielen ist. Das kann je nach Situation die Trinkwassererwärmung, die Heizungsunterstützung, der Heizungspuffer oder ein Spitzenlastspeicher sein. (Parabel Energiesysteme GmbH, 2020) In der Praxis setzen vor allem bei Mehrfamilienhäusern sowohl die Dachfläche als auch der Platz im Heizungskeller oft Grenzen. Welchen Anteil des Heizwärmebedarfs die Solarwärme decken kann, hängt zudem stark von der energetischen Effizienz des Gebäudes ab. Im Gebäudebestand können etwa 15 – 20% des Wärmebedarfs ohne saisonale Speicherung solar gedeckt werden, im Neubau können aufgrund des geringeren Bedarfs an Heizwärme und im Verhältnis größeren Energiebedarfs für Trinkwarmwasser größere Anteile solar erzeugt werden. 1.3. Solarhäuser Noch größere solare Anteile am gebäudebezogenen Wärmebedarf lassen sich erzielen, wenn das Gebäude selbst von vornherein auf die Nutzung der Solarenergie hin optimiert ist. Ein Pionier für den Bau von Solarhäusern ist das Schweizer Unternehmen Jenni Energietechnik AG. Im Jahr 1989 errichtete Jenni in Oberburg das erste rein solar beheizte Haus Europas. Das erste rein solare Mehrfamilienhaus mit acht Wohneinheiten wurde 2007 errichtet, weitere Mehrfamilienhäuser folgten. (Jenni Energietechnik AG, 2020) Die dabei eingesetzten Technologien sind im Wesentlichen am Markt verfügbar. Mittlerweile haben sich verschiedene Anbieter von Solarhäusern etabliert, die jeweils einen eigenen Fokus verfolgen. Bei einigen kann man Solarhäuser sogar schlüsselfertig erwerben. Das Sonnenhaus-Institut in Freiberg hat den Begriff „Sonnenhaus“ geprägt (Sonnenhaus Institut e.V., 2014). Diese Bezeichnung bedeutet, dass mindestens die Hälfte der Energie für Warmwasser und Heizung von der Sonne bereitgestellt werden. Das ist deutlich leichter, wenn die starke Nutzung der Sonnenenergie bereits bei der Planung des Gebäudes berücksichtigt werden: steile, nach Süden gerichtete Dachflächen ohne Verschattung, Platz für einen großen Wärmespeicher, eine gut gedämmte Gebäudehülle, solare Gewinne durch südliche Fensterflächen. Möglich sind hohe solare Deckungsgrade aber sogar im denkmalgeschützten Altbau. Eine aktive Lüftung mit Wärmerückgewinnung ist nicht zwingend erforderlich. Viele Solarhausfachleute lehnen diese sogar ausdrücklich ab. Zusätzlich wird bei den meisten Solarhäusern auch ein nennenswerter Teil des Strombedarfs solar gedeckt. Das „Sonnenhaus Autark“ legt den Fokus auf eine hohe Eigenversorgung und sieht entsprechend große Speicher für Wärme und Strom vor. Beim „Sonnenhaus Plus“ liegt der Schwerpunkt dagegen auf einer hohen Energieerzeugung – das Haus gewinnt Kennzeichnend für Solarhäuser: gute Wärmedämmung, große Kollektorflächen und ein saisonaler Wärmespeicher 19 mehr Energie von der Sonne, als es selbst verbraucht, und speist die Überschüsse ins Stromnetz ein. Während einerseits eine wachsende Bandbreite von Solarhäusern mit heutigen Standardtechnologien am Markt verfügbar ist, geht parallel die Forschung weiter: Beim „Solar Decathlon“ präsentieren Studierende aus aller Welt ihre Solarhäuser. Sie messen sich dabei in zehn Disziplinen, von „Energy Performance“ bis „Market Potential“. Im Jahr 2022 soll der Solar Decathlon Europe erstmals in Deutschland stattfinden und zwar in Wuppertal. 2. Solarthermisch unterstützte Wärmenetze Bei der gebäudebezogenen Nutzung von Solarthermie ist deren Anwendung in verschiedener Hinsicht beschränkt. Ein entscheidendes Kriterium für die Auslegung der Solaranlage ist der gebäudebezogene Wärmebedarf. Um sommerliche Überschüsse und Stagnation der Anlagen zu vermeiden, wird die Kollektorfläche am Wärmebedarf ausgerichtet, auch wenn möglicherweise ein Flächenangebot für eine größere Anlage vorhanden ist. Aber auch die verfügbare Dach – oder Fassadenfläche des Gebäudes begrenzt die Anwendung der Solarthermie im Wohnungsbau. In vielen Fällen sind geeignete Flächen zur Installation der Kollektoren nicht in ausreichendem Maß vorhanden. Im Verhältnis zur Wohnfläche ist die Dachfläche im Geschoßwohnungsbau grundsätzlich kleiner als bei Ein- und Zweifamilienhäusern. Weitere begrenzende Faktoren sind die statische Eignung, die Ausrichtung der Flächen und mögliche Verschattungen. Dazu kommen oft noch Aufbauten für Schornsteine, Lüftungen oder Aufzugsanlagen, die die verfügbare Fläche weiter verringern. Eine Lösung dieser Begrenzungen besteht darin, mehrere Gebäude in einem räumlichen Zusammenhang gemeinsam über Wärmeleitungen mit solarer Wärme zu versorgen. Die Kollektorflächen für diese Anlage können auf verschiedene gut geeignete Flächen verteilt werden oder in einer gemeinsamen Fläche zusammgefasst werden. Hierfür können Dächer, Fassaden oder Freiflächen genutzt werden. Gegenüber einer kleinteiligen Installation der Kollektorflächen auf jedem Gebäude mit dem entsprechenden Verrohrungsaufwand können hier Investitionskosten eingespart werden. Die solar erzeugte Wärme wird dann in ein Wärmenetz eingespeist (Fernwärme, Nahwärme) und die Gebäude werden mit Wärme aus diesem Netz versorgt. Netzgebundene Lösungen von Solarthermie-Anlagen lassen sich nach der Nutzungart und dem damit verbundenen Solar-Anteil am Wärmebedarf klassifizieren: von der Wärmenetzlösung ausschließlich zur Deckung des Warmwasserbedarfs mit relativ geringen solaren Anteilen bis hin zu Wärmenetzen mit einer saisonalen Speicherung der Wärme. Wärmebedarf und Montageflächen beschränken die Nutzung der Solarenergie am Gebäude Die wärmenetzbezogene Anwendung der Solarthermie eröffnet neue Perspektiven 20 Abbildung 10: Arten solarthermisch unterstützter Wärmenetze 2.1. Wärmenetze für Trinkwarmwasser Bei einer entsprechend hohen Wärmedichte im Quartier kann die Errichtung eines Wärmenetzes zur Deckung des Warmwasserbedarfs sinnvoll sein. Die Größe der Anlage wird üblicherweise so ausgelegt, dass der sommerliche Bedarf an Traink-Warmwasser möglichst komplett gedeckt wird, jedoch kaum Überschüsse entstehen und eine Stagnation der Anlage (keine Wärmeabnahme trotz solarem Angebot) möglichst vermieden wird. Der Anteil der benötigten Wärmeenergie zur Deckung des Trinkwarmwasserbedarfs am gesamten gebäudebezogenen Wärmebedarf ist aufgrund des erhöhten baulichen Wärmeschutzes im Neubau bedeutend größer als im Gebäudebestand. Dadurch lassen sich im Bereich der Neubau-Quartiere deutlich höhere solare Deckungsanteile bei dieser Art Wärmenetzen erzielen. 2.1.1. Beispiel Hamburg Hafen-City Ein Beispiel für ein solares Trinkwarmwasser-Wärmenetz bietet die Energie-versorgung der westlichen Hafen-City in Hamburg. Hier sorgen insgesamt etwa 1.800 Quadratmeter Solarkollektorfläche zur anteiligen Deckung von etwa 35 % des Wärmebedarfs für Warmwasser im Quartier. Hier werden neben Eigentumswohnungen und Gewerbeimmobilien auch Bestände der Hamburger Wohnungswirtschaft (Gemeinnützige Baugenossenschaft Bergedorf-Bille eG) versorgt. Die Solarkollektoren sind auf etwa 30 geeigneten Gebäuden im Quartier installiert, mehrheitlich wurden hier Vakuumröhrenkollektoren verwendet. Die angeschlossenen Gebäude verfügen über einen Fernwärmeanschluß für die Gebäudeheizung und die ggfls. erforderliche Nacherwärmung des Warmwassers. Die Anlagen wurden im Auftrag der damaligen Vattenfall Wärme Hamburg parallel zur Entwicklung des Quartiers in den Jahren 2012 bis 2019 errichtet und wurden nach der Rekommunalisierung der Hamburger Fernwärme von der Wärme Hamburg GmbH übernommen. Über den Bebauungsplan hatte die Freie und Hansestadt Hamburg eine verbindliche Nutzung eines Mindestanteils von 30 % regenerativer Energie am Warmwasserbedarf festgelegt. 1.800 m² Solar-kollektoren für die Trinkwassererwärmung 21 Abbildung 11: Solarthermiekollektoren zur Versorgung der Hamburger Hafen-City (Foto: Warmuth) 2.2. Wärmenetze für Raumheizung und Trinkwarmwasser Mit einer Anlagenkonzeption, die als Ziel neben der anteiligen Deckung des Bedarfs an Trinkwarmwasser auch eine solare Unterstützung der Raumheizung verfolgt, lassen sich größere solare Anteile am Gesamt-Wärmebedarf der Gebäude erzielen. Hierzu ist jedoch auch die Installation einer größeren Kollektorfläche in Bezug auf die Quadratmeter Wohnfläche bzw. die Anzahl der Personen notwendig. In der Regel werden die notwendigen Kollektorflächen auf den Dächern oder an den Fassaden der zu versorgenden Gebäude installiert. Für die Versorgung eines Quartiers reicht es normalerweise aus, wenn einzelne gut geeignete Gebäude mit den Kollektoren ausgestattet werden und die restlichen Gebäude über ein Verteilnetz versorgt werden. Für die Sicherstellung der restlichen Wärmeversorgung kommen in der Regel Quartiers-Energiezentralen mit Kesseln, KWK-Anlagen oder aber ein Fernwärme-anschluß zum Einsatz. 2.2.1. Beispiel Ford-Siedlung Köln In der sogenannten Ford-Siedlung in Köln-Niehl erfolgte durch die landeseigene Immobiliengesellschaft LEG6 im Rahmen des Projekts „Solarsiedlungen NRW“ in 2008 eine umfassende architektonische und energetische Modernisierung der Bestandsgebäude aus den 50er Jahren. Im Rahmen des Projektes wurde die ursprünglich dezentrale Wärmeerzeugung auf eine gemeinschaftliche Wärmeversorgung über drei separate Nahwärmenetze mit Wärmeerzeugung durch Gas-Brennwertkessel in Verbindung mit Solarthermie umgesetzt. 6 Seit dem Jahr 2016 erfolgt die Betreuung der Anlage über die Energiegesellschaft ESP EnergieServicePlus GmbH, an der die LEG Immobilien AG zu 51 % und die innogy SE zu 49 % beteiligt sind. 22 Abbildung 12: Modernisierte Ford-Siedlung mit den Solarkollektoren auf den Pultdächern (Grafik: EnergieServicePlus GmbH) Die Solarkollektoren wurden vollflächig auf den Pultdächern von neu errichteten Aufstockungen in Form von Maisonette-Wohnungen installiert. So wurde zusätzlicher Wohnraum geschaffen und eine optimal ausgerichtete Installationsfläche für die Kollektoren bereit gestellt. (Schaefer, 2011) Die Kollektoranlage mit insgesamt etwa 1.000 m² Kollektorfläche (Vakuumröhren) versorgt 345 Wohneinheiten im Quartier mit Wärme. Sie speist die Solarwärme in den Rücklauf der Heizkreise ein. Alternativ kann die solare Wärme in Pufferspeicher-Erdtanks mit je 15.000 Liter Volumen zwischengespeichert werden. Die Solarthermie deckt in der Siedlung etwa 60% des Warmwasserbedarfs ab und liefert einen signifikanten Beitrag zur Raumheizung. Die Reduzierungen des Energiebedarfs und der CO2-Emissionen durch die Modernisierungsmaßnahmen insgesamt sind beträchtlich: der spezifische Wärme-bedarf konnte von 290 kWh je qm auf weniger als 90 kWh je qm gesenkt werden. Der CO2-Ausstoß der gesamten Siedlung konnte um mehr als 90 % von etwa 3.000 t/a auf etwa 200 t/a vermindert werden. (Rühl, 2018) Durch das realisierte Energiekonzept wurden die Heizkosten deutlich abgesenkt, im Ergebnis sind die Wohnkosten für die Mieter trotz höherer Kaltmiete geringer als vorher. (Warmbold, 2011) 2.3. Wärmenetze mit saisonaler Speicherung Ohne eine groß dimensionierte Zwischenspeicherung der solar erzeugten Wärme ist ein solarthermischer Deckungsgrad am Wärmebedarf von etwa 15-20 % erreichbar. Ein größerer Anteil der Solarthermie am Wärmebedarf eines Quartiers lässt sich erreichen, wenn die Solarwärme in saisonalen Wärmespeichern über längere Zeiträume gespeichert wird. So kann die im Sommerhalbjahr erzeugte Wärme auch in der Heizperiode genutzt werden. In der Praxis wurden bisher Versorgungssysteme mit einem solaren Anteil am Wärmebedarf bis zu 50 % realisiert. Zu bedenken ist jedoch, dass die saisonale Wärmespeicherung zusätzliche Investitionen erfordert und damit die Im Ergebnis: geringere Wohnkosten für die Mieter und hohe CO2-Einsparung 23 Wärmegestehungskosten erhöht. Aus wirtschaftlicher Sicht ist die direkte Nutzung der Wärme prioritär. 2.3.1. Beispiel Solarsiedlung Crailsheim In der Stadt Crailsheim in Baden-Württemberg wurde auf der Konversionsfläche einer ehemaligen US-Kaserne das Baugebiet Hirtenwiesen entwickelt. Die Wärme-versorgung erfolgt über ein solar unterstützes Nachwärmesystem mit saisonalem Wärmespeicher. Mit Abschluß des ersten Bauabschnittes im Jahr 2012 werden etwa rund 260 Wohneinheiten in Mehrfamilienhäusern, sowie eine Schule und eine Sporthalle mit Wärme versorgt. Die Anlage wurde durch die Stadtwerke Crailsheim errichtet. Für die solare Wärmeversorgung wurden insgesamt ca. 7.500 m² Solarkollektoren installiert. Die Kollektorfläche verteilt sich auf mehrere Standorte. Etwa 2.300 m² wurden auf den Dächern der Mehrfamilienhäuser (umgebaute Kasernengebäude), der Schule und der Sporthalle installiert. Der Großteil der Kollektorfläche mit etwa 5.200 m² wurde jedoch als Freiflächenanlage auf dem angrenzenden Lärmschutzwall errichtet. Zwei Heisswasser-Pufferpeicher mit 100 bzw. 480 m³ Volumen und ein saisonaler Erdsonden-Wärmespeicher sowie eine Wärmepumpe ergänzen das System. Abbildung 13: Prinzipskizze der solaren Nahwärmeversorgung in Crailsheim (Grafik: Solites) Der sommerliche Überschuss an Wärme wird in dem Erdsondenspeicher für die Nutzung im Herbst und Winter zwischengelagert. Über 80 Erdwärmesonden wird die Wärme bis in eine Tiefe von 55 m abgegeben. Auf diese Weise können etwa 37.500 m³ im Untergrund anstehendes Gestein als Speichermedium genutzt werden. Um eine effiziente Nutzung des Speichers zu ermöglichen, ist zusätzlich eine Wärmepumpe für dessen Auskühlung installiert. Im Ergebnis wird ein solarer Deckungsanteil von etwa 50 % am Gesamtwärmebedarf der Siedlung erreicht. Die restliche Wärmeversorgung erfolgt über einen Fernwärmeanschluß der Stadtwerke Crailsheim. (Solites Stuttgart, AGFW Frankfurt, Hamburg Institut, IER Stuttgart, 2016) 24 C Kosten und Wirtschaftlichkeit Die Wirtschaftlichkeit der Investition in eine großflächige thermische Solarlange ergibt sich wie bei allen Energieversorgungssystemen nicht aus finanziellen Erlösen der Anlage selbst, sondern aus dem Vergleich mit einem Referenzsystem und den dort entstehenden Wärmegestehungskosten. Die Abschätzung der realen Wirtschaftlichkeit trifft hierbei auf die Herausforderung, dass für diesen Vergleich die gesamte künftige Lebensdauer der Anlage und das jeweilige Referenzsystem in den Blick genommen werden müssen. Zur Bestimmung der Wirtschaftlichkeit muss daher auch ein Zukunftsbild der künftigen energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen entwickelt werden. Entwicklungen auf dem Brennstoffmarkt, aber auch Technologieentwicklungen und Veränderungen der Kundenbedarfe müssen dabei berücksichtigt werden. In der Nachschau aus heutiger Erkenntnis betrachtet, waren frühere in die Zukunft gerichtetete Energiepreisprognosen auch namhafter Institute in vielen Fällen falsch. An erster Stelle aber ist der künftige Energiemarkt durch die Energiepolitik geprägt. Veränderungen im Rechtsrahmen, der Energiebesteuerung oder der Förderung von Investitionen sind für die Wirtschaftlichkeit der Investitionen von entscheidender Bedeutung. Prognosen über den künftigen Energiemarkt sind daher in erster Linie Politikprognosen. Vor dem Hintergrund dieser unsicheren Rahmenbedingungen bietet die Investition in großflächige Solaranlagen eine vergleichsweise hohe Sicherheit bei der Kalkulation der künftigen Kosten. Bei der Nutzung von Solarthermie fallen im Gegensatz zu fossilen Heizsystemen im Lauf der Lebensdauer der Anlage keine Brennstoffkosten an und auch die Betriebskosten der Anlagen sind sehr gering. Die solaren Wärmegestehungskosten resultieren zu sehr großen Anteilen aus der annuisierten Investition und sind damit auch langfristig gut kalkulierbar. 1. Investitionskosten Eine umfassende Analyse der Wirtschaftlichkeit verschiedener solarthermischer Anlagensysteme im urbanen Umfeld findet sich in den Untersuchungen der Internationalen Energie Agentur IEA im Sektor SHC (Solar Heating and Cooling). Nach (Mauthner & Herkel, 2017) können für die Investionen in Solarkollektoranlagen abhängig von deren Größe und technischer Ausstattung folgende Werte angesetzt werden: Anlagenart Kollektorfläche [m²] Spez. Kosten [€/m²] Einfamilienhaus 5 - 10 801 – 1.050 Mehrfamilienhaus 30 - 300 520 – 800 Quartier 500 – 5.000 420 – 660 Quartier mit Saisonalspeicher 1.000 – 10.000 480 – 800 Solare Fernwärme 5.000 – 20.000 210 - 270 Tabelle 1: Investitionskosten solarthermischer Anlagen. Daten nach (Mauthner & Herkel, 2017) Maßgeblich für die Wirtschaftlichkeit ist der Vergleich mit einem Referenzsystem Die Wirtschaftlichkeits-betrachtung erfordert ein Zukunftsbild der künftigen energie-wirtschaftlichen Rahmenbedingungen Durch die geringen Betriebskosten bietet die Solarthermie eine hohe Kostensicherheit 25 In diesen Kosten sind alle erforderlichen Investionen für eine betriebsfertige Anlage zugrunde gelegt. Mehrwertsteuer und Fördermittel sind nicht berücksichtigt. Es zeigt sich, dass die spezifischen Investionen mt Größe der Anlage stark absinken. Gegenüber einer Anlage im Einfamilienhausbereich sind bei solarer Fernwärme 3 – 4 mal geringere Investitionen notwendig. Bei allen Anlagen (mit Ausnahme der solaren Fernwärme) ist eine Dachflächen-montage vorausgesetzt. 2. Betriebskosten Die Kosten im laufenden Betrieb sind bei solarthermischen Anlagen im Vergleich zu anderen Wärmeversorgungsoptionen äußerst gering. Brennstoffe sind nicht erforderlich. Nur die Umwälzpumpen im jeweiligen System benötigen elektrische Energie, die mit etwa 1,5 kWh je 100 kWh erzeugte Wärme abgeschätzt werden kann. Für den Betrieb und die Instandhaltung der Anlagen können die in Tabelle 2 dargestellten Werte angesetzt werden. Anlagenart Betriebskosten, fix [€/m²] Betriebskosten, var. [€/m²] Einfamilienhaus 7,0 1,4 Mehrfamilienhaus 5,5 1,4 Quartier 3,5 1,4 Quartier mit Saisonalspeicher 4,0 1,1 Solare Fernwärme 1,7 1,5 Tabelle 2: Betriebskosten solarthermischer Anlagen. Daten nach (Mauthner & Herkel, 2017) 3. Wärmegestehungskosten Die Wärmegestehungskosten der Anlagen (Levelized cost of heat, LCOH) ergeben sich aus den Investitionen, den darauf basierenden Kapitalkosten sowie den Betriebs- und Personalkosten im jeweiligen Verhältnis zu der erzeugten Wärme. Die Ergebnisse der Berechnungen sind in Tabelle 3 dargestellt. Auch hier ist zu beachten, dass etwaige Förderprogramme bei der Berechnung der Kosten nicht berücksichtigt sind. Anlagenart Wärmekosten [ct/kWh] Wärmekosten, mittel [ct/kWh] Einfamilienhaus 14,3 – 18,1 16,2 Mehrfamilienhaus 8,9 – 13,4 11,2 Quartier 7,3 - 11,2 9,2 Quartier mit Saisonalspeicher 10,6 – 17,4 14,0 Solare Fernwärme 3,7 – 4,6 4,1 Tabelle 3: Wärmegestehungskosten solarthermischer Anlagen netto, ohne Förderung. Daten nach (Mauthner & Herkel, 2017) 26 Im Mehrfamilienhaus liegen die Wärmegestehungskosten mit etwa 11,2 ct/kWh etwa 5 ct (ca. 30 %) geringer als im Bereich der Einfamilienhäuser, die heute noch den Markt dominieren. Noch günstiger stellen sich mit 9,2 ct/kWh im Mittel die Wärmekosten einer Quartierslösung mit Solarthermie dar. Damit sind die Wärmekosten bei einer gemeinsamen solaren Quartierslösung nur etwa halb so hoch wie im Einfamilienhaus. Wird dort ein Saisonalspeicher einegesetzt, steigen zwar die Wärme-gestehungskosten an, in diesem Fall kann jedoch auch der durch Solarenergie abgedeckte Anteil des Wärmebedarfs von etwa 20 % auf etwa 50 % deutlich erhöht werden. Die mit Abstand günstigsten Wärmegestehungskosten werden beim Einsatz großflächiger Anlagen erzielt, die auf Freiflächen errichtet werden und in Wärmenetze einspeisen. Ein wesentlicher Grund dafür sind die deutlich geringeren Installations-kosten. Im Ergebnis werden hier Wärmegestehungskosten erzielt, die mit 4,1 ct/kWh etwa 75 % geringer sind als im Ein- und Zweifamilienhausbereich. Abbildung 14: Wärmegestehungskosten solarthermischer Anlagen netto, ohne Förderung. Daten nach (Mauthner & Herkel, 2017) 4. Förderung Die Installation solarthermischer Anlagen wird seit vielen Jahren staatlich gefördert. Im Gegensatz zur Photovoltaik, wo die Förderung über eine Einspeisevergütung des erzeugten Stroms stattfindet, basiert die Förderung der Solarthermie auf Investitionskostenzuschüssen und zinsgünstigen Krediten. Die Ausgestaltung der Förderprogramme bezüglich der Fördersätze und einzuhaltenden Förderkriterien ist einem stetigen Wandel unterworfen. Hier empfiehlt es sich, bei der Planung von Projekten jeweils aktuelle Informationen einzuholen. 0 0 2 2 4 4 6 6 8 8 10 10 12 12 14 14 16 16 18 18 20 20 EFH EFH MFH MFH Quartier Quartier Quartier / Quartier /SaisonspeicherSaisonspeicher Solare Fernwärme Solare Fernwärme Wärmegestehungskosten in ct/kWh Wärmegestehungskosten in ct/kWh Wärmegestehungskosten solarthermischer Anlagen Wärmegestehungskosten solarthermischer Anlagen 27 Mit Beginn des Jahres 2020 hat die Bundesregierung die Förderkulisse im Gebäudesektor für erneuerbare Energien und Energieeffizienz deutlich verbessert. Die Förderung der gebäudeorientierten Anwendung der Solarthermie erfolgt ab dem Jahr 2021 über das neu aufgelegte Programm Bundesförderung effiziente Gebäude BEG. Dieses Programm fasst die frühere Förderung über das MAP (Marktanreizprogramm erneuerbare Energien) sowie die Effizienzhauspakete der KfW unter einem Förderdach zusammen. Die Abwicklung der Förderung erfolgt über die BAFA (Bundesanstalt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle) in Eschborn.7 Der Einbau von Solarkollektoranlagen wird mit einem Investitionsszuschuss in Höhe von 30 % der förderfähigen Kosten unterstützt. Die Solaranlage kann aber auch Teil einer umfassenden Lösung, wie etwa beim Austausch einer bestehenden Ölheizung sein. In diesem Fall würden 45 % der Investitionskosten (inkl. Montage und Nebenkosten) gefördert. Flankierend dazu kann die gesamte Investition über zinsgünstige Kredite finanziert werden. Auch große Kollektoranlagen auf Sonnenhäusern (nach der Förderrichtlinie: „Solaraktivhaus“) erhalten weiterhin Investitionszuschüsse in Höhe von 30 %. Neben der Einzelförderung von Investitionen in solarthermische Anlagen kann deren Installation durch die Integration erneuerbarer Energien in die Gesamtbilanz des Gebäudes auch wesentlich dazu beitragen, dass bestimmte KfW-Effizienzklassen für eine attraktive sytemische Förderung erreicht werden. Diese systemische Förderung in Neubau und Gebäudebestand beginnt ab dem 1. Juli 2021 und bietet ebenfalls attraktive Investitionsanreize. Innerhalb des BEG ist auch der Anschluss an ein Wärmenetz förderfähig, wenn dieses Netz einen über einen Mindestanteil erneuerbarer Energien (EE) verfügt. Die Anschlusskosten an ein solches Netz werden ab einem EE-Anteil von 25 % mit 30 % der förderfähigen Kosten bezuschusst. Ab einem EE-Anteil von 55 % im Netz erhöht sich der Zuschuß auf 35 %. Das Wärmenetz kann hierbei ein klassisches Fernwärmenetz oder auch ein Gebäudenetz (z.B. der Wohnungswirtschaft) sein, das nur wenige Gebäude miteinander verbindet. Auch für diesen Fall gilt: die Versorgung über ein Quartiersnetz mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien kann für das Gebäude oder das gesamte Quartier das Erreichen von Effizienzstandards der KfW (z.B. KfW 55-EE, KfW 40-EE) ermöglichen, die im Ergebnis eine sehr attraktive systemische Förderung nach sich ziehen kann. Darüber hinaus wird derzeit von der Bundesregierung ein Förderprogramm erarbeitet, das sich speziell an den Anforderungen von Wärmenetzsystemen auf Basis erneuerbarer Energien ausgerichtet ist. Das Bundesprogramm effiziente Wärmenetze BEW soll die bestehenden Förderprogramme in diesem Sektor (Wärmenetze 4.0, MAP) ablösen. Das neu aufgelegte Förderprogramm BEW wird ab dem 2. Quartal 2021 erwartet. Neuerungen darin sind, dass neben neuen Wärmenetzen auch die Transformation bestehender Wärmenetze gefördert werden soll. Zudem sieht das neue BEW betriebliche Förderungen für Solarthermie (vsl. 2 ct/kWh) und Wärmepumpen vor. Die Details zu diesem Förderprogramm stehen allerdings noch nicht endgültig fest. 7 https://www.bafa.de/DE/Energie/Effiziente_Gebaeude/effiziente_gebaeude_node.html 30 -45 % der Investitionskosten für die Solarthermie werden gefördert Attraktive Förderung für Quartiers-Wärmenetze mit Solarthermie Ein neues Förder-programm für Wärme-netze mit erneuerbaren Energien ist avisiert. 28 Im Bereich von Nah- und Fernwärmenetzen kommt für die Integration der Solarthermie als Förderinstrument auch das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz KWKG in Betracht. Die Kombination von KWK-Anlagen mit Anlagen auf Basis erneuerbarer Energien wird über den im novellierten Gesetz ab 2020 neu fixierten EE-Bonus und auch in Ausschreibungsverfahren über die sogenannte innovative KWK (iKWK) attraktiv gefördert. 29 D Rechtlicher Rahmen Die energiepolitischen Rahmenbedingungen und Instrumente auf europäischer und nationaler Ebene (teilweise auch auf Landesebene) haben großen Einfluß auf das Marktgeschehen und die Wirtschaftlichkeit der Maßnahmen. Die Entwicklung des regulatorischen Rahmens befindet sich derzeit in einer Phase tief greifender Veränderungen. So wurden in den letzten Jahren bereits eine ganze Reihe von Instrumenten eingeführt oder modifiziert, die eine maßgebliche Wirkung auf die energetische Gebäudesanierung und die Wärmeerzeugung entfalten. Vor dem Hintergrund der langfristigen Zielvorstellung eines klimaneutralen Gebäudebestands sind jedoch den nächsten Jahren weitere deutliche Verschärfungen im regulatorischen Rahmen zu erwarten, die die Transformation zu mehr Energieeffizienz und den Umstieg auf erneuerbare Energien flankieren sollen. 1. Europäischer Regelungsrahmen Der Klimaschutz zählt zu den politischen Schwerpunkten der Europäischen Union. Auf dem Weg zu einer klimafreundlichen Wirtschaft setzt die Europäischen Union auf übergreifende Zielformulierungen, EU-weite Maßnahmen und verbindliche nationale Klimaschutzziele. Die Staats- und Regierungschefs der EU haben sich im Dezember 2019 zum Ziel der Klimaneutralität bis 2050 bekannt. Bis zum Jahr 2050 sollen also alle Treibhausgasemissionen in der Europäischen Union soweit als möglich vermieden werden. Das neue Schlüsselprojekt der EU-Kommission ist der sogenannte Europäische Grüne Deal (European Green Deal, EGD). Hierbei handelt es sich um eine umfassende Wachstumsstrategie für eine klimaneutrale und ressourcenschonende Wirtschaft. Übergeordnetes Ziel des EGD ist die EU-weite Treibhausgas-Neutralität bis zum Jahr 2050. Am 11. Dezember 2019 hat die EU-Kommission eine Mitteilung mit ihren Vorstellungen für den EGD und ein umfassendes Arbeitsprogramm zur Weiterentwicklung der EU-Politiken in diesem Sinne vorgestellt. Neben dem EGD und den darauf basierenden Europäischen Klimaschutzgesetz sind für den Gebäudesektor auch die EU-Gebäudeeffizienzrichtlinie und die EU-Erneuerbare-Energien-Richtlinie (Renewable Energy Directive - RED II) von besonderer Bedeutung. 1.1. Europäisches Klimagesetz Am 4. März 2020 hat die EU-Kommission ihren Vorschlag für ein Europäisches Klimagesetz als zentralen Bestandteil des European Green Deal vorgelegt8. Das Gesetz soll das Ziel der EU-weiten Treibhausgasneutralität bis 2050 verbindlich festschreiben und somit Behörden, Unternehmen sowie Bürgerinnen und Bürgern Planungs-sicherheit bieten. Darüber hinaus soll im Rahmen des EU-Klimagesetzes auch ein ambitioniertes Klimaziel für 2030 rechtlich verankert werden. Das bisherige Ziel einer Absenkung der THG-Emissionen um 40 % bis 2030 soll im selben Zeitraum auf einen Wert von 8 https://ec.europa.eu/clima/policies/eu-climate-action/law_de Auf der EU-Ebene ist eine deutliche Verschärfung der regulatorischen Rahmens zu erwarten Der European Green Deal ist das neue Schlüsselprojekt der EU 30 mindestens 55 % Minderung erhöht werden. Das Europäische Parlament strebt sogar eine Minderung der Emissionen bis 2030 um 60 % an. Die Verhandlungen zum EU-Klimagesetz zwischen Europäischen Parlament und den Mitgliedstaaten sollen im ersten Quartal 2021 abgeschlossen werden. 1.2. Europäische Klimaschutzverordnung Die sogenannte EU-Klimaschutzverordnung ist eine zentrales EU-weit gültiges verbindliches Instrument zur Minderung von Treibhausgasemissionen. Die Klimaschutzverordnung9 (auch Lastenteilungsverordnung oder Effort-Sharing-Regulation, ESR) aus dem Jahr 2018 gilt für Anwendungssektoren, die nicht dem EU-Emissionshandel unterfallen, also beispielsweise den Gebäudesektor, Verkehr, Landwirtschaft und Gewerbe). In der Klimaschutzverordnung ist für den Zeitraum 2021-2030 fixiert, dass die THG-Emissionen in den relevanten Sektoren europaweit um 30 Prozent gegenüber 2005 sinken sollen. Vor dem Hintergrund der großen regionalen Unterschiede innerhalb der EU wurden die zu erreichenden spezifischen Ziele der Mitgliedsstaaten auf Basis der Pro-Kopf-Wirtschaftsleistung und der verschiedenen Potenziale zur Treibhausgas-minderung festgelegt. Für die Bundesrepublik Deutschland wurde eine Treibhausgas-reduktion von 38 Prozent bis 2030 gegenüber dem Jahr 2005 in den betroffenen Sektoren verbindlich fixiert. Die Einhaltung der nationalen Zielverpflichtung wird jährlich überprüft. Falls die nationalen Ziele nicht erreicht werden, müssen bei anderen EU-Mitgliedern überschüssige Nicht-ETS-Emissionsrechte erworben werden, um die Unterdeckung auszugleichen. Hiermit entsteht ein großes Risiko für den Bundeshaushalt. N