Kraft-Wärme-Kopplung im Wärmemarkt Deutschlands und Europas : eine Energiesystem- und Technikanalyse

Abstract

Im Wärmemarkt stehen seit Jahren unterschiedlichste Wärmeversorgungstechnologien auf Basis fossiler und erneuerbarer Energieträger, sowie Strom und Fernwärme untereinander als auch mit Einsparoptionen im Wettbewerb. Ein Großteil des Endenergieverbrauchs in Deutschland und der EU27 wird heute und zukünftig für die Deckung der Wärmenachfrage aufgewendet. Der Wärmemarkt steht damit im Fokus energiepolitischer und –wirtschaftlicher Fragestellungen. Ziel der Ausführungen ist es, mögliche Einflussfaktoren auf den Wärmemarkt in Deutschland und Europa zu analysieren. Die Auswirkungen hinsichtlich der Struktur der eingesetzten Energieträger und Technologien bis zum Jahr 2050 werden untersucht. Ein Schwerpunkt wird hierbei auf die Untersuchung der Rolle der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und Fernwärme gelegt. Die Bewertung der KWK und Fernwärme und deren Vergleich zur getrennten Erzeugung hängen von der gewählten Versorgungsaufgabe ab. Entsprechend werden unterschiedliche Rangfolgen gekoppelter und ungekoppelter Wärmeversorgungstechnologien bei einer Analyse mit Hilfe von CO2-Vermeidungskosten, der ganzheitlichen Bilanzierung und einer para-metrisierten Versorgungsaufgabe ermittelt. Für die Beurteilung der energetischen, umweltseitigen und kostenseitigen Implikationen un-terschiedlicher Versorgungssysteme im Wärmemarkt wird eine detaillierte länderspezifische Untersuchung mittels einer Energiesystemanalyse durchgeführt. Hierfür wird das paneuropäi-sche Energiesystemmodell TIMES PanEU entwickelt, in welchem sowohl länderspezifische und sektoral differenzierte Versorgungstechnologien des Wärmemarktes als auch die beste-henden Versorgungsstrukturen modelliert sind. Die Entwicklung der Wärmenachfrage auf Nutzenergieebene wird basierend auf Simulationsergebnissen vorgegeben. So reduziert sich beispielsweise der spezifische Wärmebedarf des Gebäudebestandes in Deutschland bis zum Jahr 2050, trotz regulatorischer Vorgaben z. B. hinsichtlich des Gebäudestandards sowie de-ren Fortschreibung, aufgrund der aktuellen energetischen Sanierungszyklen und -quoten le-diglich auf Neubaustandard des Jahres 2007. Die Ergebnisse der Szenarienanalysen mit dem Energiesystemmodell TIMES PanEU zeigen, dass fossile Energieträger in wesentlich größerem Maße als Elektrowärmeanwendungen und der Einsatz von erneuerbaren Energien im Wärmemarkt von politischen Vorgaben (z.B. einem Treibhausgasminderungsziel) beeinflusst werden. Die Rolle der Fernwärme wird in erheblicher Weise dadurch bestimmt, ob diese quasi CO2-frei erzeugt werden kann. Optionen hierfür bestehen in Form von KWK-Anlagen auf Basis fossiler Energieträger mit CO2-Abscheidung und Speicherung, auf Basis von Geothermie oder Biomasse sowie durch Wärmepumpen und Solarthermie. Das technische und wirtschaftliche Potenzial dieser Erzeugungsoptionen ist ein limitierender Faktor für den Ausbau der Fern- und Nahwärmeversorgung in Deutschland.

In the heating market, a large variety of different heat-supply technologies based on fossil and renewable energy sources, as well as electricity, district heating and energy savings options have been competing for many years. Both today and in the future, a large part of the final energy consumption in Germany and the EU27 is applied to cover the heat demand. The heat-ing market is thus in the focus of energy political and economic issues. The aim of this study is to analyse possible influencing factors on the heat market in Germany and Europe, and their impacts in terms of the structure of the employed energy sources and technologies up to the year 2050. An emphasis is placed here on the investigation of the role of combined heat and power (CHP) and district heating. The evaluation of CHP and district heating, and their comparison with the separate production of electricity and heat depends on the underlying supply task. Accordingly, different rankings of combined and separate heat supply systems result from analyses with the help of CO2 avoidance costs, the life cycle assessment method and based on a parameterized supply case. Due to the great number of different heat supply cases and technologies, a large variety of system options exists in the heating market. In order to evaluate the energy, environmental and economic implications of these alternatives, a detailed country-specific investigation of the heating market is carried out with the help of an energy system analysis. For this, the Pan-European energy system model TIMES PanEU was developed in which both country-specific and sector-differentiated supply technologies in the heat market as well as the existing supply structures are modeled. The development of the useful heat demand is specified exogenously based on a simulation approach. So, for example, despite of the regula-tory requirements regarding the standards as well as their tightening in the future, the specific heat demand of the building stock in Germany decrease until 2050 only to the standard of new buildings in 2007 given the current energetic renovation cycles and quotas. The results of the scenario analyses with the energy system model TIMES PanEU show that fossil are affected the heating market fuels in much greater extent than electrical applications, and the use of renewable energies by the political framework conditions (such as a greenhouse gas reduction target). The role of district heating is determined significantly by whether it can be produced virtually CO2-free. Such options exist in the form of CHP plants with CO2 capture and storage, based on geothermal energy or biomass, as well as by using heat pumps and solar thermal plants. The technical and economic potential of these generation options is a limiting factor for the development of local and district heat supply systems in Germany.