On Life Cycle Costs and Levelized Costs of Heat of Renewable Heating Systems

Abstract

Heizen mit erneuerbaren Energien erfreut sich einer wachsenden Beliebtheit, und die Relevanz im Erreichen von Klimaschutzzielen steigt. Es gibt eine Vielzahl erneuerbarer Energiequellen, Kombinationsmöglichkeiten dieser Quellen und dementsprechend Heizsysteme. Erneuerbare Ressourcen können naturgegebene Unsicherheiten mitbringen, wie zum Beispiel die Anzahl der Sonnenstunden oder die thermische Beschaffenheit im Erdreich. Ungünstig aufeinander abgestimmte Systemkomponenten können eine langfristig stabile und effiziente Wärmeversorgung vor zusätzliche Herausforderungen stellen. Für die notwendige Einschätzung der Energie- und Kostenentwicklungen erneuerbarer Heiz-Systeme können mathematische Modelle herangezogen werden. Beispielsweise nutzt ein vertikal gekoppeltes oberflächennahes geothermisches Wärmepumpen-System (GSHPS) kostenlose, kontinuierlich verfügbare Energie und verspricht somit thermo-ökonomische Vorteile. Zwei innovative Optimierungsansätze für ein GSHPS werden vorgestellt: ein gemischt-ganzzahliges nicht-lineares Programm (MINLP) und ein nicht-lineares Programm (NLP). Es werden optimale Jahresarbeitszahlen (JAZ) per MINLP und optimale Wärmeentzugsleistungen per NLP bereitgestellt. Im Rahmen von Monte-Carlo Simulationen wird das vertikal gekoppelte geothermische Wärmepumpen-System mit einem Pellet-System (PFBMS) und einem solar unterstützten Biogas-System (SABGS) verglichen. Die bereitgestellten mathematischen Modelle werden validiert und für Sensitivitätsanalysen eingesetzt. Als vergleichende Zielgrößen werden spezifische Wärmegestehungskosten (LCH) und Lebenszykluskosten (LCC) herangezogen. Zum einen werden gleich verteilte und spezifisch verteilte Eingabedaten eingesetzt. Dabei wird ein Untersuchungsschwerpunkt auf die zentrale Größe Heizlast gelegt. Zum anderen werden Grenzfälle betrachtet, die optimale und (maximal) ideale Parameterwerte berücksichtigen. Drei Hypothesen wurden aufgestellt und untersucht. Im Rahmen der ersten Hypothese wurde vermutet, dass sich typische, optimale und maximal limitierende Parameterwerte auf einem gleichen Niveau einstellen. Anhand der durchgeführten Untersuchungen konnte diese Hypothese nicht als Arbeitshypothese angenommen werden. Die thermo-physikalisch spezifischen Bereiche zwischen den typischen und limitierenden Werten wurden identifiziert. Allerdings konnten durch Optimierungsrechnungen Verbesserungen gegenüber den typischen Werten generiert werden. Die thermo-physikalischen Grenzen wurden dabei stets eingehalten. Die zweite Hypothese, dass bei höher werdenden Effizienz-Werten das GSHPS kosteneffizienter als das PFBMS sowie das SABGS ist, konnte als Arbeitshypothese angenommen werden. Als Zielgröße wurden in diesem Zusammenhang die Lebenszykluskosten (LCC) betrachtet. Wie zu erwarten war, zeigten alle drei Systeme Verbesserungen ihrer LCC aufgrund maximal limitierender Effizienzwerte. Allerdings zeigte sich das GSHPS als die beste Systemwahl im Mittel aller betrachteten Auslegungsvarianten. Die verbesserten oberen Effizienzgrenzen, basierend auf optimalen Werten, führten zu einer Reduktion der LCC um circa 10.7 %. Ein besonderer Vorteil des GSHPS besteht im erhöhten Anteil an kostenloser Erdwärme bei einer entsprechenden Erhöhung der Jahresarbeitszahl. Als dritte Hypothese wurde vermutet, dass mit steigender Wärmelast deren Einfluss auf die Wärmegestehungskosten (LCH) sinkt. Die Hypothese konnte als Arbeitshypothese angenommen werden. Die signifikanten Verluste an Einfluss des Parameters Wärmelast auf die Wärmegestehungskosten konnten für alle drei Heiz-Systeme gezeigt werden. Der Parameter Wärmelast nimmt geringere Positionen in der Rangfolge bezüglich des Einflusses auf die Wärmegestehungskosten, bei höher werdenden Wärmelasten, ein. Skaleneffekte können bei höher werdenden Wärmelasten (und entsprechend ausgelegten leistungsstärkeren Wärmepumpen) einfließen. Mit jedem ausgelegten Kilowatt an Wärmeleistung steigt der Anteil an Nutzwärme stärker im Ver-gleich zu den Lebenszykluskosten. Die Kosten für spezifische erneuerbare Wärmeträger (sowie teilweise deren Verzinsung) scheinen entscheidende Größen im Verständnis zwischen den Heiz-Systemen (hinsichtlich deren Einfluss auf die Wärmegestehungskosten) zu sein. Einen signifikanten Unterschied zwischen den drei Heiz-Systemen kann die Jahresarbeitszahl des Wärmepumpen-Systems darstellen. Dieser Parameter behält seinen Einfluss, im Gegensatz zu den Effizienz-Parametern der anderen Systeme, auf die Wärmegestehungskosten – bei höher werden-den Wärmelasten – bei. Im Besonderen wird die Menge an kostenloser Erdwärme von der Jahresarbeitszahl repräsentiert. Das bedeutet, dass mit steigender Jahresarbeitszahl der Anteil an kostenloser Erdwärme steigt. Ein weiterer signifikanter Einfluss auf die Wärmegestehungskosten kann in der erhöhten Temperaturspreizung zwischen der Temperatur im Erdreich und den vertikalen PE-Rohren liegen. Denn je höher diese Temperaturspreizung ist, desto höher kann sich die übertragene Wärmeleistung einstellen. Diese Annahme wird dadurch untermauert, dass die Temperaturen im Untergrund deutlich sinken und dies insbesondere bei einer Erhöhung der Wärmelast. Das PFBMS zeigt unter typischen Bedingungen die beste Performance hinsichtlich der Wärmegestehungskosten. Werden hingegen optimale Parameterwerte (Jahresarbeitszahlen und Wärmeentzugsleistung) als obere Grenze für die Datengenerierung eines vertikal gekoppelten Wärmepumpen-Systems berücksichtigt, gewinnt dieses System erheblich an Kostenvorteilen hinzu. Es sind Einsparungen hinsichtlich der Wärmegestehungskosten und Lebenszykluskosten von circa 17 % realisiert worden. Falls maximale (ideale) Parameterwerte herangezogen werden, steigen die Einsparungen auf bis zu 52 % an, und das GSHPS erscheint als das mit Abstand kosteneffizienteste Heiz-System.