Die Temperatur ist entscheidend
Abb. 6: Beispielhafte Wirkungsgradkennlinien der verschiedenen Kollektortechnologien Für die Effizienz des Kollektors und damit auch für das gesamte Solarsystem ist das (Prozess-) Temperaturniveau signifikant. Abbildung 6 verdeutlicht, wie sich mit steigenden Temperaturen die Wärmeverluste erhöhen und sich somit der Kollektorwirkungsgrad verringert. Damit gehen geringere Erträge und Einsparungen durch die Solaranlage einher, was in der Konsequenz eine schlechtere Wirtschaftlichkeit nach sich zieht. Solaranlagen können auch bei Temperaturen oberhalb von 100 °C Wärme zu konkurrenzfähigen Preisen für industrielle Prozesse liefern.
Dennoch sollte bei der Wahl des Integrationspunktes darauf geachtet werden, dass unter den gegebenen Bedingungen die Solaranlage auf einem möglichst geringen Temperaturniveau arbeiten kann.
Integration von EE-Wärme in die bestehende Infrastruktur
In Haushalten stellen die Trinkwarmwasserbereitung und Raumheizung die wesentlichen Wärmeverbraucher dar. Solaranlagenkonzepte lassen sich für diese Anwendungsfälle leicht standardisieren, da die Anforderungen an die Wärmeversorgung von Haushalt zu Haushalt größtenteils gleich bleiben. Dies führt dazu, dass im Wesentlichen nur die Anlagengröße einer Solaranlage an die Bewohnerzahl und den energetischen Standard eines Gebäudes angepasst werden muss. In Industrie und Gewerbe sind die Anforderungen an die Wärmeversorgung aufgrund der großen Zahl unterschiedlicher Produktionsprozesse von Betrieb zu Betrieb unterschiedlich. Daraus resultiert eine Vielzahl von Integrationskonzepten für solare Wärme. In der Regel erfolgt die Einbindung über einen zusätzlichen Wärmeübertrager, der über die solar erzeugte Wärme primärseitig beheizt wird. Sekundärseitig wird die gewählte Wärmesenke angeschlossen, um die Wärme entsprechend an das Prozessmedium zu übergeben.
Die Wärmeversorgungsinfrastruktur in Unternehmen umfasst klassischerweise den eigentlichen Wärmeerzeuger (in der Regel auf der Basis der Verbrennung fossiler Energien) sowie ein Wärmenetz, dass sich in Vor- und Rücklauf unterteilen lässt. Dies wird als Versorgungsebene bezeichnet. Demgegenüber steht die Prozessebene, welche die einzelnen Prozesse umfasst. Die beiden Ebenen sind häufig durch einen Wärmeübertrager getrennt, wobei dies nicht zwingend notwendig ist. Das Temperaturniveau im Wärmeverteilnetz wird durch die höchste Prozesstemperatur bestimmt und stellt die maximale Temperatur im System dar. Das Solarsystem kann sowohl zentral auf der Versorgungsebene als auch dezentral auf der Prozessebene eingebunden werden. Letztere bezeichnet eine direkte Versorgung einzelner Prozesse oder Wärmeverbraucher, wie bspw. Warmwasserbereitstellung oder Lüftung, mit solarer Wärme. Dies hat den Vorteil, dass für eine Versorgung mit solarer Wärme nur diejenigen Prozesse ausgewählt werden, die gute Rahmenbedingungen bieten. Dies sind z. B. niedrige Temperaturen und ein ganzjährig hoher Wärmebedarf, wodurch eine hohe Effizienz und ein hoher solarer Deckungsanteil bezogen auf den Prozesswärmebedarf erreicht werden können. Demgegenüber steht, dass ggf. nur ein geringer Teil des gesamten Wärmebedarfs mit Solarwärme versorgt werden kann, da die Wärme hier nur einzelnen Prozessen zur Verfügung steht.
Bei der Einbindung auf Prozessebene spielt die existierende konventionelle Beheizung des Prozesses die entscheidende Rolle für die Wahl des Integrationskonzeptes. Insbesondere die Frage, ob der Prozess intern oder extern beheizt wird, ist signifikant. Werden Tauchbäder bspw. über einen externen Wärmetauscher beheizt, dann kann in den meisten Fällen kostengünstig ein Solarwärmetauscher parallel oder in Reihe zum Wärmetauscher des konventionellen Wärmeversorgungssystems installiert werden. Bei einer internen Beheizung von Prozessbädern (z. B. durch elektrische Heizpatronen), kann ein zusätzlicher Wärmetauscher in das Tauchbad eingehängt werden, der das Prozessmedium parallel zum konventionellen System solar beheizt. Für solche Fälle existieren spezielle, platzsparende Wärmetauscher (z. B. „Pillow Plates“). Je nach Komplexität der Einbindung können die Kosten für die Einbindung einen großen Anteil an den Gesamtprojektkosten ausmachen. Grundsätzlich ist die interne Beheizung in den meisten Fällen aufwendiger und dadurch teurer als eine externe Beheizung.
Bei der zentralen Einbindung besteht der große Vorteil darin, dass alle Prozesse mit Solarwärme versorgt werden können. Der erste Ansatz zur Einbindung ist hier stets, die Solarwärme zur Vorwärmung des Rücklaufs des Heizungsnetzes zu nutzen (Solaranlage seriell zum konventionellen Kessel). An sonnigen Tagen braucht der Kessel dann nicht anzuspringen. An weniger einstrahlungsreichen Tagen sichert der Kessel nach der Vorwärmung die eingestellte Solltemperatur. Neben dieser seriellen Einbindung kann die Solaranlage auch parallel zum Kessel betrieben werden. In diesem Fall muss die Solaranlage immer die Vorlauftemperatur des Wärmenetzes erreichen, so dass in der Regel ein niedrigerer Wirkungsgrad im Solarsystem erreicht wird. Der Vorteil einer parallelen Integration kann jedoch sein, dass der konventionelle Wärmeerzeuger über längere Phasen im Sommer komplett ausgeschaltet bleiben kann und so insgesamt ein Effizienzvorteil entsteht.
Technisch ist auch die solare Bereitstellung von Prozessdampf mit Temperaturen bis 250 °C möglich. Aufgrund der hohen Temperaturen ist die Bereitstellung von solar erzeugtem Dampf jedoch nur für südeuropäische Standorte mit einem großen Anteil direkter Solarstrahlung, der die Nutzung von konzentrierenden Kollektoren ermöglicht, zu empfehlen. Bei mittel- oder nordeuropäischen Betrieben mit Dampfnetzen empfiehlt es sich, gezielt einzelne Prozesse mit geringerem Temperaturniveau und geeigneter Anlagentechnik solar zu beheizen.
Hier ist bspw. die Aufheizung von Zusatzwasser zu nennen, welches vor der Entgasung lediglich auf bis zu 100 °C erwärmt und dem System zum Ausgleich von Dampf- sowie Absalz- und Abschlammverlusten zugeführt werden muss.
Abb. 7: Unterscheidung zwischen Versorgungs- und Prozessebene mit der zentralen bzw. dezentralen Einbindung
Förderung von EE-Wärme
Die Sonne schickt keine Rechnung. Diese plakative Sprechart macht deutlich, dass eine solare Prozesswärmeanlage eine langfristige und strategische Investition ist. Zwar erfordert die Installation und Einbindung der Anlage eine vergleichsweise hohe Anfangsinvestition, ermöglicht jedoch dann über einen Zeitraum von mindestens 20 Jahren die Nutzung der Sonnenwärme quasi zum Nulltarif. In Deutschland werden Investitionen in erneuerbare Prozesswärme umfänglich vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Programms „Energieeffizienz und Prozesswärme aus erneuerbaren Energien in der Wirtschaft“ gefördert (BMWi, 2019). Seit Anfang 2019 fallen auch Wärmepumpen und Biomasse unter diese Förderung, wodurch die Technologien deutlich umfänglicher als bisher gefördert werden können. Prozesswärme wird in dieser Förderrichtlinie als die Wärme interpretiert, die zur Herstellung, Weiterberarbeitung oder Veredelung von Produkten sowie zur Erbringung von Dienstleistungen notwendig wird. Bei der Antragsstellung muss nachgewiesen werden, dass mehr als 50 % der eingespeisten EE-Wärme tatsächlich für Prozesswärme aufgewendet wird. Darüber hinaus können jedoch auch andere Wärmesenken, wie die Raumwärmebereitstellung oder sorptionsbasierte Kälteprozesse, versorgt werden. Die Investition wird mit 45 % bzw. im Falle eines KMU-Unternehmens sogar mit 55 % bezuschusst. Die Förderung erfolgt durch einen Investitionszuschuss durch das BAFA oder durch einen zinsgünstigen Kredit mit entsprechendem Tilgungszuschuss durch die KfW. Hervorzuheben ist, dass bei solaren Prozesswärmeanlagen nicht nur die Investitionen in die Komponenten selbst, sondern das gesamte Projektvolumen in die Förderung einbezogen wird. Somit werden neben der Hardware auch alle Kosten von der Machbarkeitsabschätzung über die Planung bis hin zur Montage und Inbetriebnahme bezuschusst. Sogar Kosten für notwendige Umbauten zur Integration der erneuerbaren Wärme, wie der ggf. notwendige Umbau von Produktionsanlagen, wird bei der Berechnung der förderfähigen Kosten berücksichtigt. Einzig und allein ggf. erforderliche Investitionen zur Verbesserung der statischen Tragfähigkeit des Daches können nicht berücksichtigt werden.
Turn-Key-Kosten von solaren Prozesswärmeanlagen
Abb. 8: Übersicht spezifischer Nettoinvestitionskosten (vor Förderung, inkl. Planung & Montage) realisierter, solarer Prozesswärmeanlagen in Deutschland Reale Projektkosten (Netto, ohne Förderung) für solare Prozesswärmeanlagen sind in Abbildung 8 dargestellt. Für eine bessere Vergleichbarkeit werden hierbei die auf die Fläche bezogenen, spezifischen Investitionen genannt. Es zeigt sich, dass sich durch große Anlagen signifikante Skaleneffekte hin zu günstigeren Anlagen ergeben. Gerade im Bereich von kleinen Anlagen weisen die Projekte sehr unterschiedliche spezifische Kosten auf. Dies lässt sich vor allem darauf zurückführen, dass der Integrationsaufwand gerade bei kleinen Anlagen einen großen Anteil aufweisen und dieser je nach Prozesseinbindung sehr unterschiedlich ausfallen kann. Zusätzlich kann sich die solarthermische Anlagentechnik je nach Anwendung deutlich unterscheiden, wodurch allgemeingültige Angaben zu not- wendigen Investitionen erschwert werden. Marktübliche Turn-Key-Kosten etwas größerer solarthermischer Anlagen (> 100 m2) liegen zwischen 350 und 900 €/m2. Im Zweifel kann es lohnenswert sein, ein weiteres Angebot von einem zweiten Anbieter einzuholen, um die Kostenschätzung zu plausibilisieren. Luftkollektoren weisen die niedrigsten Kosten auf, da der Anlagenaufbau sehr einfach ist und auch die Montage im Vergleich zu wassergeführten Systemen schneller durchgeführt werden kann. Flachkollektoren sind entsprechend günstiger als höherwertige Vakuumröhrenkollektoren, die auch bei höheren Temperaturen eingesetzt werden können.
Solare Wärmegestehungskosten
Dank der umfangreichen Förderungen liegen die erreichbaren solaren Wärmegestehungskosten häufig im Bereich zwischen 3 und 5 €-Cent/kWh, wodurch die Wärme in der Regel günstiger produziert wird als mit fossilen Energien. Bei besonders vorteilhaften Rahmenbedingungen, wie sie in Unternehmen der Galvano- und Oberflächentechnik häufig vorzufinden sind, sind sogar solare Wärmegestehungskosten von unter 3 €-Cent/kWh möglich. Zum Vergleich lag der durchschnittliche Preis, den Unternehmen 2017 für den Bezug von Gas zahlten, bei 2,7 €-Cent/kWh für Industriekunden bzw. bei 4,5 €-Cent/kWh für Gewerbekunden (Bundesnetzagentur n.d.). Die solaren Wärmegestehungskosten werden nach der VDI 3988 Solarthermische Prozesswärme berechnet1 und stellen den mittleren Preis über die gesamte Lebensdauer inklusive aller betriebs- und gebrauchsgebundenen Kosten sowie unter Berücksichtigung der Diskontierung dar.
Hierbei ist wichtig zu betonen, dass der Gaspreis nicht dem tatsächlichen Nutzwärmepreis entspricht. Bei der konventionellen Wärmebereitstellung treten Abgasverluste bei der Verbrennung sowie Wärmeverluste im Kessel und bei der Wärmeverteilung auf, die ebenfalls berücksichtigt werden müssen. In Summe liegt der tatsächliche Jahresnutzungsgrad der konventionellen Wärmebereitstellung häufig im Bereich von 70 bis 80 %, wodurch bereits ohne Preissteigerung über die Jahre der reale Nutzwärmepreis zwischen 3,4 und 6,4 €-ct/kWh liegt. Bereits unter Berücksichtigung einer moderaten Preissteigerung von 2 %/a und einem Jahresnutzungsgrad von 80 % ergeben sich fossile Nutzwärmekosten zwischen 4,0 und 6,6 €-ct/kWh.
Damit liegen die konventionellen Wärmegestehungskosten meist deutlich über den solaren Wärmegestehungskosten. Bei der Verwendung teurerer Endenergieträger wie bspw. Öl, Holz oder Strom erhöht sich der wirtschaftliche Vorteil einer solarthermischen Wärmeversorgung weiter. Besonders bei einer elektrischen Beheizung eines Prozesses lohnt sich in den meisten Fällen sogar die vollständige Umstellung der gesamten Wärmeversorgung auf ein System mit Solarthermie und Gaskessel (durchschnittliche Stromkosten 2017: 14,9 €-Cent/kWh für Industriekunden bzw. 21,7 €-Cent/kWh für Gewerbekunden).
Exkurs CO2-Steuer
Die Einführung einer CO2-Steuer wird seit Jahren von Klimaforschern und Umweltverbänden gefordert und entsprechend auf der politischen Ebene diskutiert. In einigen Ländern wie Frankreich, Schweiz, Kanada und Schweden gibt es bereits entsprechende Beispiele. Es dürfte nur noch eine Frage der Zeit sein, wann auch in Deutschland eine entsprechende Abgabe eingeführt wird. Unklar erscheinen derzeit nur die Höhe und die letztendliche Ausgestaltung. In den aktuellen Diskussionen werden Größenordnungen in der Bandbreite von 20 bis 80 €/t genannt. Bei der Verbrennung von Erdgas werden 0,22 kg/kWh freigesetzt. Dies bedeutet, dass dies in einer Abgabe im Bereich von 0,4 bis 1,76 €-Cent/kWh resultieren würde, was in Anbetracht der vergleichsweise niedrigen Gaspreise zu einem deutlichen Anstieg führen kann. Unter dieser Maßgabe sollten Unternehmen sich bereits heute darüber Gedanken machen, wie dieser mögliche Anstieg der Wärmekosten abgefangen werden kann.
Falsche Kennzahlen resultieren in falschen Entscheidungen
Abb. 9: Rentabilität und mögliche Einsparungen einer Investition in eine solare Prozesswärmeanlage über die Lebensdauer im Vergleich zu der kurzfristigen Kennzahl AmortisationIn Unternehmen aus der Industrie werden Investitionsentscheidungen häufig allein auf der Basis der Kennzahl Amortisationszeit getroffen. Dies ist jedoch für eine derartige Investition zu kurz gegriffen. Die Amortisationszeit ist eine Kennzahl der Risikobewertung und gibt an, wann das eingesetzte Kapital refinanziert wird. Sie gibt aber keine Auskunft über die Rentabilität der Investition über die Lebensdauer (siehe Abb. 9). Dieser entscheidende Unterschied sei im Folgenden an einem einfachen Beispiel verdeutlicht. Verglichen werden zwei Investitionen mit unterschiedlicher Lebensdauer. Investition A erfordert ein Investitionsvolumen von 10.000 € bei jährlichen Einsparungen von 5.000 € und einer Lebensdauer von drei Jahren. Demgegenüber steht eine Investition B mit einer notwendigen Investition von 25.000 € bei gleichen jährlichen Einsparungen, jedoch einer deutlich höheren Lebensdauer von 10 Jahren. Investition A amortisiert sich bereits nach zwei Jahren, aufgrund der kurzen Lebensdauer bleibt allerdings nur ein Gewinn von 5.000 €, bevor erneut investiert werden muss. Investition B, mit der höheren Anfangsinvestition, ist erst nach 5 Jahren refinanziert, jedoch werden auch in den Folgejahren Kosten eingespart, sodass nach Ende der Lebensdauer ein Gewinn von 25.000 € erreicht wird. Dieses stark vereinfachte Beispiel soll aufzeigen, dass bei einer Investition in erneuerbare Prozesswärme die Amortisationszeit nicht die alleinige Kennzahl sein kann. Stattdessen sollten für die Bewertung auch die interne Verzinsung oder der Kapitalwert herangezogen werden. Thermische Solaranlagen erreichen im Regelfall zweistellige Renditen und erweisen sich somit als durchaus rentable Investition.
Contracting als Ausweg aus dem Investitionsdilemma
In der Praxis zeigt sich häufig, dass derartige Investitionsentscheidungen, aufgrund der einseitigen Fokussierung auf die Amortisationszeit, durch das übliche Raster fallen und Projekte somit nicht zur Umsetzung kommen. Diese Lücke haben Contractingunternehmen erkannt. So haben sich in den vergangenen Jahren zahlreiche Unternehmen darauf spezialisiert, Lösungen für diese Problematik anzubieten. Im Rahmen einer Contractingvereinbarung übernimmt der Contractor die gesamte Projektabwicklung von der Planung, Finanzierung bis hin zur Umsetzung. Im Anschluss ist er auch der Betreiber der Anlage und verkauft nur die Wärme an das Unternehmen. Der vertraglich vereinbarte Preis liegt unterhalb des fossilen Wärmepreises und ist in der Regel an die Entwicklung des Gaspreises gekoppelt. In dem Vertrag wird ebenfalls festgelegt, ob die Anlage automatisch irgendwann in das Firmenvermögen übergeht oder sie nach einer vereinbarten Dauer demontiert wird. Somit profitiert das Unternehmen vom ersten Tag an von verringerten Wärmekosten und CO2-Emissionen, ohne zu investieren und ohne das Risiko von Anlagenversagen.
– wird fortgesetzt –
Literatur
[1] ADAC, n.d., Anteil der Straßen in Deutschland an der Gesamtfläche des Landes im Jahr 2014, Statista, Zugriff am 7. Mai 2019, Verfügbar unter https://de.statista.com/statistik/daten/studie/163401/umfrage/anteil-der-strassen-in-deutschland-an-der-gesamtflaeche/
[2] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktor- sicherheit, Energiepolitik 20 Jahre nach Tschernobyl, Dokumentation der Tagung Tschernobyl 1986–2006: Erfahrungen für die Zukunft, Berlin, 24./25. April 2006
[3] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, Zahlen und Fakten Energiedaten, 2018
[4] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, Prozess- wärme aus erneuerbaren Energien: Umsteigen und von Förderung profitieren, verfügbar unter https://www.deutschland-machts-effizient.de/KAENEF/Redaktion/DE/Foerderprogramme/energieeffizienz-in-der-wirtschaft-modul-2-prozesswaerme.html, Zugriff am 14. Mai 2019
[5] Bundesnetzagentur, Bundeskartellamt, n.d., Gaspreise* für Gewerbe- und Industriekunden in Deutschland in den Jahren 2008 bis 2018 (in Euro-Cent pro Kilowattstunde), Statista, verfügbar unter https://de.statista.com/statistik/daten/studie/168528/umfrage/gaspreise-fuer-gewerbe-und-industriekunden-seit-2006/, Zugriff am 14. Mai 2019,
[6] Verein Deutscher Ingenieure, VDI 3988, Solarthermische Prozesswärme (Gründruck), Beuth Verlag, Berlin, 2018
