Carnot-Methode im Gebäudeenergiegesetz – GEG

  • Hallo Forum!


    aus dem Beitrag "Zäsur im Wärmemarkt: der GEG-Entwurf und die Primärenergiefaktoren" zitiere ich die folgenden zwei Anmerkungen:

    Zitat
    Dies hat insbesondere zur Folge, dass

    - KWK-Anlagen mit hohen Stromkennzahlen, wie GuD-Kraftwerke oder große Blockheizkraftwerke, deutlich schlechter bewertet werden;
    - ein niedriger Primärenergiefaktor des Brennstoffs, wie bei Biomethan, Holz oder Siedlungsabfällen, einen deutlich geringeren Einfluss auf den Primärenergiefaktor der Nutzwärme hat;

    Dies ist natürlich korrekt, doch halte ich die Formulierung für sehr gefährlich, da sie in der Branche eventuell eine starke Abwehrhaltung gegenüber dem notwendigen Übergang von der Restwertmethode zur Carnotmethode provoziert. Für die Notwendigkeit einer physikalisch korrekten Aufteilung möchte ich die folgenden Gründe anführen:


    - Die Carnot-Methode ist referenzsystemfrei, die Restwertmethode benötigt einen externen Referenzwert. Zur Berechnung des PEF der Wärme wird eine Referenz-PEF der elektrischen Energie gebraucht. Dummerweise ist dies keine fixe Größe, sondern ein sich bewegender Wert: mit weiterm Zubau von erneuerbaren Energien geht der PEF_el runter. Im Falle des Erzeugungsmixes schnell, beim Grenkraftwerk langsamer, aber nach wie vor gibt es nur eine Richtung: runter. Umgekehrt wird dann der PEF der Wärme ansteigen: bei einem PEF_el = 1 ist auf dem Papier KWK-Wärme nicht zu unterscheiden von Kessel-Wärme. Das ist nicht im Sinne des Erfinders der Thermodynamik. Daher reitet die KWK-Branche in eine Abwärtsspirale, wenn sie sich nicht möglichst schnell von der Restwertmethode verabschiedet.


    - Die Restwertmethode, wie sie bisher zur PEF-Berechnung der Wärme angewendet wurde, weist der Wärme alle Effizienzgewinne zu. Dies ist brandgefährlich, weil die elektrische Energie nichts davon abbekommt.


    Wir brauchen eine ausgewogene (physikalisch gerechte) Aufteilung des Benefits auf beide Kuppelprodukte. Ich erinnere in diesen Zusammenhang an das 550 g/kWh EPS Kriterium, welches die Kommission bei der Zulassung von Kapazitätsmechanismen vorschlug (vgl. mit der Überarbeitung der EIB lending criteria). De Facto ist das KWKG ein Kapazitätsmechanismus, welches über mehrere Jahre verteilt eine Kapazitätsprämie in kumulierter Höhe von 30.000 h * x ct/kWh = 300*x €/kW ausschüttet (für Kleinst-KWK bis 50 kW 60.000h). Man sollte daher darauf achten, dass die elektrische Energie nicht als Müllsammelbehälter im Kuppelprozess genutzt wird, nur weil die meisten Akteure heute nur die Wärmeseite beachten.


    - Die Carnot-Methode als exergiebasierte Äquivalenzziffermethode ist nicht nur widerspruchsfrei gegenüber dem ersten, sondern auch dem zweitem Hauptsatz der Themodynamik. Immer wenn Wärme mit im Spiel ist, muss der Arbeitswert der Wärme (Exergieanteil = Qualität, d.h. das Temperaturniveau) beachtet werden. Anergie (Wärmeenergie auf Umgebungstemperaturniveu) ist nutz- und wertlos. Nicht nur der Energieerhaltungssatz, sondern auch der Entropiesatz ist seit über 150 Jahren bekannt. Wenn wir ihn ignorieren, ist das Zielradar der Energiewende falsch ausgerichtet. Mir ist bekannt, dass selbst gestandene Professoren diese Tatsache geflissentlich ignorieren, wenn es um die normative Bewertung von KWK-Wärme und KWK-Elektrizität geht. Ich darf nur darauf hinweisen, dass ein falscher "Wechselkurs" zwischen Strom und Wärme, der nicht das Temperaturniveau mit einbezieht, zu einer Fehlsteuerung führt.


    Mit Clausthaler Glückauf,


    Gunnar

  • Moin Gunnar,


    das Thema war mir völlig neu, und da ich wissenschaftlich nicht in Deiner Liga spiele, kann ich es möglicherweise nicht komplett überblicken. Der Ansatz nach der Carnot-Methode erscheint mir jedenfalls aus technischer Sicht richtig.


    Die Frage ist: Gilt der zukünftige Methodenwechsel nur für die Bewertung von KWK für Neubauten, oder müssen beispielsweise auch Fernwärmenetze aus einem Heizkraftwerk und folgerichtig die am FW-Netz hängenden Bestandsbauten zukünftig auf der Primärenergie-Seite nach der neuen Methode bewertet werden? Das könnte vor allem in Großstädten mit viel Fernwärme aus KWK zu einer "Bombe" werden.


    Ein Beispiel aus der Praxis: Ich habe eine (vermietete) ETW in einem großen Wohnblock Baujahr 1961, der mit Fernwärme beheizt wird. Das FW-Netz wird hauptsächlich aus KWK (große Heizkraftwerke) versorgt. Laut Energiebedarfsausweis liegt der Endenergiebedarf des Gebäudes bei (dem Baujahr angemessenen) 144 kWh/m2, der Primärenergiebedarf wegen der Fernwärme-Berechnung dagegen nur bei 20 kWh/m2 - also nominell knapp über Passivhaus-Niveau. Eine energetische Sanierung wurde bislang in den ET-Versammlungen immer abgelehnt, da der Primärenergiebedarf gerade mal ein Fünftel des EnEV-Anforderungswertes beträgt und man daher die Notwendigkeit nicht sieht. Das Gleiche gilt mit Sicherheit für Zehn- wenn nicht Hunderttausende ähnlicher Gebäude.


    Wenn sich das durch die neue Methodik bei Bestandsbauten ändern würde, entstünde m.E. ein gewaltiger Druck in Richtung energetischer Sanierung. Das würde zweifellos die Wärmewende voranbringen, aber womöglich auch verbunden mit sozialem Sprengstoff wegen sanierungsbedingter Mieterhöhungen auf breitester Front. Und da auf diese Weise auch ein Privileg der Fernwärme weitgehend abgeräumt würde, erwarte ich Widerstand von Seiten vieler Kommunen gegen eine solche Regelung. Oder sehe ich das falsch?


    Gruß, Sailor

    Viessmann Vitotwin 300-W (1 kWel, 6 kWth) seit 2012

    PV-Anlage 8,45 kWp (65 x Solarworld SW 130poly Ost/Süd/West, SMA 5000 TL und 3000) seit 2010

    Solarthermie 14 qm Flachkollektoren seit 2004 (Vorgänger 8 qm 1979-2003)

  • ich vermute -da die Zertifikate der Stadtwerke auch nur gewisse Gültigkeit haben- das würde auch dann mal durchschlagen


    Moin Gunnar,



    Wenn sich das durch die neue Methodik bei Bestandsbauten ändern würde, entstünde m.E. ein gewaltiger Druck in Richtung energetischer Sanierung. Das würde zweifellos die Wärmewende voranbringen, aber womöglich auch verbunden mit sozialem Sprengstoff wegen sanierungsbedingter Mieterhöhungen auf breitester Front.

    tja

    würde es die Wärmewende wirklich voranbringen?


    Mal etwas überspitzt betrachtet...


    Was hat die energetische Sanierung von hunderttausenden ostdeutschen Neubauwohnungen gebracht?


    Hart ausgedrückt: Wenig bis gar nichts !

    Warum? Na der Osten hatte nichts zu verschenken und darum wurden die ausnahmslos alle mit Fernwärme versorgt und das zum allergrößten Teil aus KWK.

    nun sind die Hütten alle gedämmt und die Kraftwerke drücken die schön gesparte Wärme wie Kühlturm weg.


    Wie gesagt, etwas überspitzt...

  • nun sind die Hütten alle gedämmt und die Kraftwerke drücken die schön gesparte Wärme wie Kühlturm weg.

    Oh Mann. Weiß Greta Tunberg das?


    Manchmal bekommt man das Gefühl, es hat eh alles keinen Zweck.

    Viessmann Vitotwin 300-W (1 kWel, 6 kWth) seit 2012

    PV-Anlage 8,45 kWp (65 x Solarworld SW 130poly Ost/Süd/West, SMA 5000 TL und 3000) seit 2010

    Solarthermie 14 qm Flachkollektoren seit 2004 (Vorgänger 8 qm 1979-2003)

  • Nun ja,


    da wir hier aber in D auch große Schritte -zumindest einst- im Bereich Strom gemacht haben

    und da mittlerweile doch nennenswerte Anteile aus regenerativen kommen,

    wird's künftig wohl besser werden.


    Ich wollt das bringen

    um doch mal den Blick auf die Sektoren zu lenken.


    Wärmewende muss bestimmt was passieren und weiterhin gemacht werden,

    aber vorrangig sind es immernoch die Kraftwerke, welche die größten (Primär) Energieverbraucher in D sind.



    Und deshalb PRO KWK

    ...auch wenn ich die Hoffnung aufgegeben hab, das wir erhört werden.

    Wer tiefer gehen mag, einfach mal das Energieflussbild der AG Energiebilanzen sich anschauen

    ...wobei m.E. hier auch schon getrickst wurde, denn ich glaub -d.h. nicht sicher wissen- jetzt geht die Bruttostromerzeugung raus. Früher war es netto und da konnt man prima sehen, dass unser toller Kraftwerkspark im Wirkungsgrad doch einiges unter 30% netto lag.

  • Der Ansatz nach der Carnot-Methode erscheint mir jedenfalls aus technischer Sicht richtig.

    Die physikalische Widerspruchsfreiheit der Carnot-Methode als exergiebasierte Allokation (vgl. mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, dass die Qualität der Energie abnimmt, wohingegen der erste Hauptsatz der Thermodynamik sagt, dass die Quantität gleichbleibt) ist für mich der Hauptgrund, sich für die Carnot-Methode einzusetzen. Sonst lügt man sich doch ehrlich gesagt in die Tasche, wenn man gesetzliche, also vom Menschen für den Menschen gemachte, Regeln festlegt, die aber etwas anderes sagen als bekannte Naturgesetze definieren.


    Hier ist ein kleines Gegenbeispiel, das Festlegungen widerlegt, die eben nicht die Temperatur der Nutzwärme zur Bewertung der Nutzwärme hinzuziehen. Das gilt im Prinzip für alle Allokationen die mehr oder weniger willkürlich irgendwelche Referenzwerte nutzen, statt die realen Prozessparameter - und dazu gehört das Temperaturniveau der Nutzwärme zur Vestimmung Ihres Arbeitswerts hinzu (vgl. Sadi Carnot (1824): Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance, auf Deutsch: Betrachtungen über die bewegende Kraft des Feuers und die zur Entwicklung dieser Kraft geeigneten Maschinen). Ein Beispiel ist die kalorische Methode, die ein kWh Elektrizität gleich bewertet wie eine kWh Wärme, also 1 kWh = 1 kWh (unabhängig von der Qualität der Energie, d.h. insbesondere bei der Wärme des Temperaturniveau.


    Eine solche Regel, kann man auch als Markt- bzw. Tauschregel auffassen. Ich kann also gemäß dieser normativ festgelegten Gleichheit eine kWh Niedertemperaturwärme (z.B. einen Eimer warmen Wassers mit 40°C mit einer kWh Wärmeinhalt) gegen eine kWh Elektrizität tauschen. Die kWh elektrische Energie trage ich dann in mein geheimes Geheimlabor und stecke sie in eine Wundermaschine namens Wärmepumpe, die daraus wieder 3 kWh Wärme erzeugt. Diese 3 kWh Wärme trage ich auf den Markt und fordere mein Tauschrecht ein, um 3 kWh elektrische Energie zu bekommen. Damit wandle ich in der Realoption der Wärmepumpe die Energie in 9 kWh Niedertemperatur Wärme, usw. Man erkennt also hier den Anreiz, ein Perpetuum Mobile zu bauen, weil die Tauschregel eben den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzt. Das kann nicht gut gehen.


    Die Frage ist: Gilt der zukünftige Methodenwechsel nur für die Bewertung von KWK für Neubauten, oder müssen beispielsweise auch Fernwärmenetze aus einem Heizkraftwerk und folgerichtig die am FW-Netz hängenden Bestandsbauten zukünftig auf der Primärenergie-Seite nach der neuen Methode bewertet werden?

    Davon gehe ich ganz stark aus, dass der Methodenwechsel früher oder später alle berühren wird. Es ist aber aus meiner Sicht nicht so sehr die Frage interessant, ob man sich wegen der Angst vor dem Wechsel die neuen (und bessere) Methode nicht anwenden sollte, sondern wie man den Übergang gestaltet. Hier sind vielfältige Übergangsregeln denkbar, die einen harten Sprung von Methode A auf Methode B denkbar, und die sollten diskutiert werden, nicht aber die Sinnhaftigkeit der Carnot-Methode als solche. Sie ist aus meiner Sicht aufgrund der Faktenlage unzweifelhaft, da die Feinheiten der Thermodynamik in der Mitte des 19 Jahrhunderts ausgearbeitet wurden und innerhalb weniger Jahre von der wissenschaftlichen Gemeinde übernommen worden sind. Das ist also keine unbewiesene Theorie, die nur als nette Gedankenspielerei und Erklärungsansatz ohne experimentelle Validierung im Umlauf ist, sondern das sind harte Fakten, auf denen all unsere Konstruktionsprinzipien von Wärmekraftmaschinen beruhen und verfahrenstechnische Prozesse im Chemieingenieurwesen.

    Ein Beispiel aus der Praxis: Ich habe eine (vermietete) ETW in einem großen Wohnblock Baujahr 1961, der mit Fernwärme beheizt wird. Das FW-Netz wird hauptsächlich aus KWK (große Heizkraftwerke) versorgt. Laut Energiebedarfsausweis liegt der Endenergiebedarf des Gebäudes bei (dem Baujahr angemessenen) 144 kWh/m2, der Primärenergiebedarf wegen der Fernwärme-Berechnung dagegen nur bei 20 kWh/m2 - also nominell knapp über Passivhaus-Niveau.

    Daraus schließe ich, dass der Primärenergiefaktor der Fernwärme bei 20/144 = 0,14 liegt. Ohne genau die Struktur der Wärmeerzeugung zu kennen (wieviel kommt aus Heizkraftwerken und wie sind hier die Wirkungsgrade, wieviel kommt aus Spitzenlastkesseln, wieviel kommt aus Abwärme bzw. Müllverbrennung etc.) kann man schlecht abschätzen, wie sich der PEF für die Fernwärme verändern wird. Es ist aber recht klar, wenn man sich übliche Kennwerte von HKW in der öffentlichen Versorgung anschaut, dass man mit einem PEF von etwa 0,4 bis 0,5 rechnen muss - dafür geht der PEF der Elektrizität runter, was für das 550 g/kWh EPS-Ziel auch wichtig ist.

    Eine energetische Sanierung wurde bislang in den ET-Versammlungen immer abgelehnt, da der Primärenergiebedarf gerade mal ein Fünftel des EnEV-Anforderungswertes beträgt und man daher die Notwendigkeit nicht sieht. [..] Wenn sich das durch die neue Methodik bei Bestandsbauten ändern würde, entstünde m.E. ein gewaltiger Druck in Richtung energetischer Sanierung. Das würde zweifellos die Wärmewende voranbringen, aber womöglich auch verbunden mit sozialem Sprengstoff wegen sanierungsbedingter Mieterhöhungen auf breitester Front. Und da auf diese Weise auch ein Privileg der Fernwärme weitgehend abgeräumt würde, erwarte ich Widerstand von Seiten vieler Kommunen gegen eine solche Regelung.

    Das ist glaube ich weniger der Grund, warum FW-Versorger die Umstellung auf die Carnot-Methode verzögern bzw. verhindern wollen. Sie haben Angst davor, dass die Felle wegschwimmen, sollte die stromverbrauchende Heizung besser aussehen als KWK. Und bei der Kalkulation des PEF der Wärmeversorgung mit Wärmepumpen muss man auch noch eine Korrektur vornehmen: die eingesetzte Elektrizität ist nicht mit dem Durchschnittsmix zu bewerten, sondern mit dem Grenzkraftwerk, sonst lügt man sich ebenfall in die Tasche. Das ist angewandte Differentialrechnung, die auch in der Energiewirtschaft ihre Rechtfertigung hat: was passiert mit dem Gesamtsystem, wenn ein kleines Delta an Wärmepumpenstrom mehr nachgefragt wird? Dies wird durch das Grenzkraftwerk gedeckt welches in Teillast fährt und durch die Zunahme des Bedarfs nun besser ausgelastet wird. Diese Grenzkraftwerke sind häufig Kohlekraftwerke, werden in Zukunft sicher auch in Richtung Gaskraftwerk verschoben und bei dem noch seltenem Überschuss von erneuerbarer Energien sind es PV und Windenergieanlagen.


    Gruß,

    Gunnar

  • Gerne nehme ich Deiner Aussage die Spitze. Die meisten Heizkraftwerke in der öffentlichen Versorgung sind mittlerweile gasbasiert und in Ostdeutschland wird IMHO nur noch um Leipzig herum Braunkohle-KWK eingesetzt.


    Gasbasierte Kraftwerke lässt man aber nicht rund um die Uhr laufen, sondern bei niedrigem Spark-Spreak wird man ein GuD-Kraftwerk nur dann anschmeissen, wenn der Großhandelspreis an der EPEXspot hoch genug ist. Und bei allen Heizkraftwerken mit Entnahmedampfturbine hat man den Effekt des Stromverlustes, der oftmals auch zur ökonomischen Bewertung der Fernwärme herangezogen wird (BTW: die Stromverlustmethode ist sehr ähnlich zur Carnot-Methode, weil diese die Gleichwertigkeit von elektrischer und thermischer Energie gemäß des Austauschverhältnisses nutzt).


    Bei Heizkraftwerken ohne Wärmespeicher waren die Betreiber bei niedrigem Strompreis gezwungen, das HKW trotzdem in Betrieb zu halten, um die Wärmesenken zu versorgen, oder sie haben es abgestellt und die Wärme aus dem Heizwerk geliefert.


    Ausserdem hat die Restwertmethode auch mathematische Mängel. Immer dann, wenn die KWK-Anlagen besser ist als das Referenzkraftwerk (in DE ist das noch etwas mit einem PEF_el von 2,8 - das muss aber nicht so bleiben), hat man einen Nulldurchgang, d.h. die Werte werden negativ und wurden nur dank normativer Konvention auf Null aufgerundet. Wert für den PEF_th kleiner Null heissen aber, dass man Energie spart, indem man zum Fenster raus heizt. Das heisst es wäre ökonomisch opportun, nicht nur nicht zu dämmen, sondern man könnte sich auch sparen, Fenster einzubauen. Siehe Seite 6: https://www.researchgate.net/p…ple_Energetic_Co-Products


    Tatsächlich aber ist die Wärme nicht umsonst, sondern man könnte sie ja noch nachverstromen bzw. gemäß der Stromverlustkennziffer eben nicht auskoppeln sondern in elektrische Energie wandeln. Die Carnot-Methode erlaubt es nun, der Wärme in Abhängigkeit von ihrer Temperatur einen Arbeitswert zuzuweisen, der sie mit dem anderem Kuppelprodukt vergleichbar macht.


    Gruß,

    Gunnar