Potenzialanalyse zum Aufbau von Wärmenetzen unter Auswertung siedlungsstruktureller Merkmale

Kurzfassung

Wärmenetze spielen eine gewichtige Rolle im Kontext von Klimaschutz und Energieeffizienz. So ist der verstärkte Einsatz effizienter Energietechniken sowohl zur Erreichung von Klima-schutzzielen als auch zur Etablierung einer nachhaltigen Energieversorgung unabdingbar. Ansatzpunkte zur Umsetzung einer nachhaltigen Energieversorgung sind die Steigerung der Energieproduktivität und -effizienz, die verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien, die Erwei-terung der dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) sowie der Erhalt und die Modernisie-rung von zentralen Heizkraftwerken. Dem Ausbau von Nah- und Fernwärmenetzen – speziell in Kombination mit Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) sowie der gesteigerten Nut-zung regenerativer Nahwärme – ist vor diesem Hintergrund eine zentrale Bedeutung beizumessen. In Deutschland beträgt der Anteil der Fernwärme am Raumwärmemarkt an-nähernd 14 %, bei einer Anzahl von zirka 1400 Netzen mit einer Netzlänge von rund 19000 km und einer Anschlussleistung von etwa 57000 MWth (Megawatt thermisch). Zur Erreichung der CO2-Minderungsziele der Bundesregierung muss laut Szenarien des Bun-desumweltministeriums (BMU) der Anteil der Fern- und Nahwärme im deutschen Wärme-markt deutlich gesteigert werden. Die im Jahr 2050 genutzte Wärmemenge aus erneuerba-ren Energien soll zu 60 % auf Wärmenetzen beruhen. Ausbaukapazitäten ergeben sich bei der Verdichtung der Anschlüsse in bestehenden Netzen, bei der Erweiterung in periphere Bereiche und beim Neubau von Netzen. Um das Potenzial zum Aufbau einer leitungsgebun-denen Wärmeversorgung zu bewerten, ist eine Analyse der siedlungsstrukturellen Gegeben-heiten und des daraus resultierenden Entwicklungspotenzials erforderlich. Vor diesem Hintergrund ist die Bewertung des aktuellen bundesweiten Wärmenetzpotenzials ein wichtiger Baustein. Über das Wärmenetzpotenzial können Aussagen bezüglich der phy-sisch-strukturellen Standortbedingungen für Nahwärme getroffen werden. Das Wärmenetz-potenzial errechnet sich über den Quotienten aus jährlichem Wärmebedarf der Gebäude und Investitionskosten zur Bereitstellung der benötigten Wärme. Der entsprechende Kennwert repräsentiert die durch das Versorgungssystem jährlich erschließbare Wärmemenge [kWh/a] pro investierter Geldeinheit [€]. Der spezifische Wärmebedarfswert hängt von Typ und Nut-zung des Gebäudes, dem Baualter sowie den klimatischen Rahmenbedingungen ab. Die Abschätzung der Kosten für die Wärmeinfrastruktur basiert auf einer Analyse der Längen und zugehörigen Kosten für Hauptverteilungs- und Hausanschlussleitungen, die wiederum über eine Auswertung des Straßennetzes und der Lage der Gebäude modelliert werden kann. Der Wärmebedarf setzt sich aus dem Gebäudevolumen und dem spezifischen Wär-mebedarfswert zusammen, während die Investitionskosten alle Aufwendungen für Verteil-netz, Anschlussleitungen, Hausübergabestationen sowie die Einsparungen für Heizkessel einschließen. Entscheidend für die Durchführbarkeit einer bundesweiten, räumlich und thematisch hoch detaillierten Auswertung siedlungsstruktureller Gegebenheiten zur Berechnung des Wärmenetzpotenzials ist die Verfügbarkeit geeigneter raumbezogener Daten sowie die Nutzung einer zeit- und kosteneffizienten Methodik zur Erstellung der notwendigen Geoin-formationsprodukte. Hinsichtlich der Methodik kann das Wärmenetzpotenzial unter Nutzung von Verfahren der digitalen Bildanalyse und geographischer Informationssysteme über eine Kombination von Top-down und Bottom-up Ansatz für das gesamte Gebiet der BRD ermittelt werden. Der Top-down Ansatz kommt bei der Abschätzung des Wärmebedarfs auf Grundla-ge von Daten zum Gebäudebestand und der klimatischen Situation zum Einsatz. Der Ge-bäudebestand wird dabei durch Infas-Geodaten zu Gebäudetyp (Ein-/Zwei-Familienhäuser, kleine und große Mehrfamilienhäuser) und Gebäudealter (neun Bauperioden) sowie Informa-tionen des Statistischen Bundesamtes zur Gebäudenutzung (Wohngebäude, Nichtwohnge-bäude) bestimmt. Die klimatischen Gegebenheiten können mit Hilfe der vom Deutschen Wet-terdienst bereitgestellten Gradtagzahlen dargestellt werden. Die Berechnung der leitungsge-bundenen Investitionskosten erfolgt Bottom-up unter Einbeziehung von Daten des Amtlichen Topographisch-Kartographischen Informationssystems zur Lage von Siedlungsflächen und dem Verlauf des Straßennetzes (Ermittlung Hauptverteilungs- und Hausanschlussleitungen) sowie unter Nutzung von Informationen zum Gebäudebestand (Lage, Grundfläche), der aus Digitalen Topographischen Karten (Maßstab 1:25.000) extrahiert wird. Die Ergebnisse der bundesweiten Auswertung zeigen, dass das Wärmenetzpotenzial neben dem örtlichen Wär-mebedarf stark von der Länge der Wärmeverteilleitungen abhängt. Diese ist eng gekoppelt an die Siedlungsstruktur. Daher weisen insbesondere Kernstädte und deren verdichtetes Umland hohe Werte auf, während das ländliche Umland bzw. der ländliche Raum ver-gleichsweise geringe Potenziale aufweisen. Grundsätzlich werden in der Südhälfte Deutsch-lands weithin günstige, im Nordosten der BRD hingegen relativ ungünstige Strukturen ange-troffen. Dies zeigt sich besonders an der Länge der Hausanschlussleitungen, die den mittle-ren Abstand zwischen Straße und Gebäude widerspiegeln. Für die Wärmeverteilkosten wur-den je nach Region Werte zwischen 1,7 und 3,3 ct/kWh ermittelt. Damit stellen die Verteil-kosten kein wesentliches Hemmnis für einen deutlich stärkeren Ausbau von Wärmenetzen dar. Am unteren Rand der Kostenbandbreite liegen die westlichen und die südwestlichen Länder sowie erwartungsgemäß die Großstädte. Entsprechend hohe Potenziale können hier für den Nahwärmeausbau erwartet werden. Am ungünstigen Ende befinden sich die Neuen Bundesländer im Nordosten Deutschlands. Zusätzlich wird der Ausbau von Wärmenetzen dort auch aus demographischen Gründen erschwert. Neben der bundesweit flächendeckend durchgeführten Abschätzung des Wärmenetzpoten-zials wurden darüber hinaus im Rahmen des Projektes räumlich hoch detaillierte, energiebe-zogene Analysen auf Quartiersebene durchgeführt. In diesem Zusammenhang wurde an-hand von Fallstudien in der Stadtregion München das Anwendungsspektrum siedlungsstrukturbezogener Inventarisierungen auf Quartiersebene bezüglich energierelevanter Fragestel-lungen demonstriert. Die Anwendungsbeispiele umfassten die Typisierung der Stadtstruktur und die Kartierung der urbanen Landbedeckung, die Erfassung von begrünten Dächern und Solarflächen, die Bewertung des Photovoltaikpotenzials sowie die Modellierung des quar-tiersbezogenen Wärmenetzpotenzials und der mikroklimatischen Situation. Die Auswertun-gen basierten auf einer Datengrundlage aus fernerkundlichen Informationen (multispektrale, hyperspektrale und thermale Erdbeobachtungsdaten, digitales Oberflächenmodell basierend auf Daten eines flugzeuggetragenen Sensors) und kommerzieller Daten zum Gebäudebe-stand (häuserscharfe Infas-Geodaten zu Bauperioden) und den klimatischen Gegebenheiten (Gradtagzahlen des Deutschen Wetterdienstes). Die Resultate legen dar, dass eine phy-sisch-strukturelle Charakterisierung von Siedlungsquartieren auf Grundlage einer Analyse räumlich und thematisch höchstaufgelöster Geodaten vielseitig verwendbare Informationen über die lokalen und regionalen Standortbedingungen liefert. Dies eröffnet auch für Betrach-tungen und Analysen zum Klimaschutz sowie der Energieeffizienz auf lokaler Ebene bislang nicht gekannte Möglichkeiten. Mit Blick auf die Perspektiven bezüglich quartiersbezogener Potenzialanalysen auf Bundes-ebene belegen die Ergebnisse der Studie, dass eine bundesweit flächendeckende Erhebung und Auswertung von Geoinformationen zur raumstrukturellen Kennzeichnung und Bewertung von Siedlungsflächen auf Ebene von Quartieren möglich ist. So zeichnet sich ab, dass sich durch entsprechende Analysen zahlreiche, bislang nur auf empirischer oder räumlich abstra-hierter Basis durchführbare Betrachtungen in eine nutzerorientierte Dimension bzw. praxis-nahe Umsetzung überführen lassen. Dies gilt speziell für Anwendungen im Rahmen der Raumbeobachtung, der Energieversorgung, der Infrastrukturplanung oder Verkehrs- und Mobilitätsforschung. Mit Blick auf die Herausforderungen einer räumlich und thematisch hoch detaillierten Auswertung siedlungsstruktureller Gegebenheiten auf Bundesebene, ist die Ver-fügbarkeit zweckdienlicher Daten der entscheidende Faktor. Basierend auf den Erkenntnis-sen der vorliegenden Studie sind hier folgende Merkmale unabdingbar: Flächendeckung, bundeseinheitliche Standardisierung, digitales Format, Raumbezug in ausreichender räumli-cher Detaillierung, präzise Verortung und Geometrie, geeignete Semantik, Aktualität und Perspektive der Fortschreibung, zentrale Datenvorhaltung und vertretbare Anschaffungskos-ten bzw. kostengünstiger oder -freier Datenzugang. Die formulierten Vorraussetzungen wer-den insbesondere von den Geobasisdaten der amtlichen Vermessung erfüllt. Mit leichten Einschränkungen - vor allem hinsichtlich der Beschaffungskosten - werden auch Satelliten-aufnahmen und bestimmte kommerziell vertriebene Daten mit Raumbezug - etwa statistische oder klimatologische Informationen - den formulierten Anforderungen gerecht. Abgebildet auf die betrachteten Anwendungen ergibt sich hinsichtlich der Durchführbarkeit einer bundeswei-ten Umsetzung auf Quartiersebene folgende Einschätzung: die Typisierung der Stadtstruktur und die Ausweisung einfacher urbaner Landbedeckungsklassen, die Inventarisierung be-grünter Dachflächen und die Modellierung des Wärmenetzpotenzials erscheinen sowohl aus technisch-methodischer Sicht als auch unter datenbezogenen Gesichtspunkten realisierbar. Die Bewertung des Photovoltaikpotenzials ist technologisch machbar, allerdings sind aktuell bundesweit flächendeckend noch keine digitalen Oberflächenmodelle mit hinreichender Ge-nauigkeit verfügbar. Eine weitere Einschränkung ergibt sich aus dem enormen Prozessie-rungsaufwand, der mit einer entsprechenden Analyse einhergeht. Hinsichtlich der Erfassung von Solarflächen steht die mangelnde Datenverfügbarkeit von Hyperspektraldaten einer deutschlandweiten Auswertung im Wege. Entsprechende Aufnahmen können momentan nur lokal über Befliegungen bereitgestellt werden. Gleiches gilt für die Modellierung des Mikro-klimas, wobei in diesem Falle zudem technische Limitierungen bezüglich des operationellen Betriebs der erforderlichen Modellierungsprogramme eine flächendeckende Auswertung ver-hindern. Durch eine Weiterentwicklung der existierenden Methodik zur Erfassung der Wär-menetzpotenziale und den Einsatz weiterer fernerkundlicher Datenquellen scheint perspekti-visch die flächendeckende Erstellung örtlicher Energiekonzepte auf einer einheitlichen Basis möglich. Doppelallokationen von knappen landwirtschaftlichen Flächen oder begrenzten Biomasseressourcen können so effizient vermieden werden. Durch ein entsprechend über-greifendes Konzept wird eine regionale und überregionale Harmonisierung der Aktivitäten einzelner Gemeinden erst ermöglicht. Die Methode erlaubt des Weiteren aussagekräftige Summenbildung aus den Energiekonzepten aller Gemeinden. Auf der Grundlage des durchgeführten Vorhabens konnten zudem wichtige Erkenntnisse hinsichtlich des weiteren Forschungsbedarfs gewonnen werden. So ließ sich mit der vorlie-genden Untersuchung nachweisen, dass eine automatisierte Erfassung des Wärmenetzpo-tenzials anhand der Auswertung von bundesweit verfügbaren Geobasisdaten möglich ist. Insbesondere konnten die Netzlängen aus den Straßenlängen und dem Straßenabstand jedes einzelnen Gebäudes ermittelt werden. Die neue Methodik bietet jedoch noch in mehr-facher Hinsicht Entwicklungspotenzial – sowohl was die Methodik als auch die qualitative Verbesserung und Erweiterung der bisherigen Datenbasis betrifft. Aus methodischer Sicht erscheinen die Verbesserung des Modells zur Bestimmung der Netzlängen, der Ausschluss von Gebieten mit sehr geringen Wärmedichten, die Untergliederung des Nahwärmepotenzi-als innerhalb einer Gemeinde in Gebiete mit höheren und geringeren Wärmedichten, die Berücksichtigung von Niedertemperaturprozesswärme zusätzlich zum Bedarf an Raumwär-me und Warmwasser sowie die Überprüfung des derzeitigen Kostenansatzes für den Bau von Wärmeleitungen in innerstädtischen Bereichen sinnvoll. Durch eine Optimierung und Erweiterung der Datenbasis sind zudem eine verbesserte Güte der Modellierungen sowie effizientere Verarbeitungsschritte – etwa durch einen weiter erhöhten Automatisierungsgrad – zu erwarten. Wichtige Ziele sind hier die verbesserte Differenzierung des Gebäudebestands (z.B. Wohngebäude und Nebengebäude), die verbesserte Charakterisierung des Vo-lumens einzelner Gebäude, die robustere Bestimmung des mittleren Baualters der Einzelge-bäude, die Integration des lokal vorhandenen Potenzials erneuerbarer Energien als Grundla-ge für einheitliche Energiekonzepte für Gemeinden sowie die Berücksichtigung raumordneri-scher Gesichtspunkte und Transportentfernungen. Es ist davon auszugehen, dass die abge-leiteten Geoinformationen bzw. Geobasisdaten auch zahlreiche weitere Anwendungsfelder unterstützen können, so etwa die Typisierung des Siedlungsraums, stadtklimatologische Bewertungen, Infrastrukturplanungen, Lärm- und Emissionsmodellierungen oder Risikoana-lysen sowie Krisen- und Katastrophenmanagement.