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Vergleichende Ökobilanzierung der semi- zentralen Hauswärmebereitstellung aus Holzreststoffen

Biemann, Kirsten :
Vergleichende Ökobilanzierung der semi- zentralen Hauswärmebereitstellung aus Holzreststoffen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Vergleichende Ökobilanzierung der semi- zentralen Hauswärmebereitstellung aus Holzreststoffen
Language: German
Abstract:

Fast 40 Prozent des Endenergieverbrauchs in Deutschland wurde 2008 gebraucht um Raumwärme und Warmwasser für Wohngebäude bereitzustellen. Um die Umweltlasten zu senken und fossile Ressourcen zu schonen, muss eine Umstrukturierung der Wärmeversorgung erfolgen. Daher sorgen gesetzliche Rahmenbedingungen dafür, dass in Zukunft Wohngebäude besser gedämmt werden, sowie vermehrt durch erneuerbare Energien und über Wärmenetze versorgt werden. Dabei ist der nachwachsende und speicherbare Rohstoff Holz ein attraktiver Energieträger, der jedoch aufgrund begrenzter Potenziale möglichst effizient eingesetzt werden muss. Ein Anschluss der Wohnhäuser über ein Wärmenetz ist attraktiv, da größere Heiz(kraft)werke effizienter betrieben werden können als Einzelheizungen. Die bessere Wärmedämmung der Häuser steht jedoch oft im Gegensatz zum Anschluss an ein Wärmenetz, welches am effizientesten arbeiten kann, wenn viel Wärme auf kleinem Raum abgenommen wird. Daher muss bei Wärmenetzneubauten sorgfältig geprüft werden, ob sie ökonomisch und ökologisch sinnvoll sind. In dieser Arbeit werden die Umweltwirkungen der holzbasierten semi- zentralen Hauswärmeversorgung für unterschiedliche Siedlungstypen untersucht. Dabei bedeutet semi- zentral, dass über das Wärmenetz nicht mehr als 500 Abnehmer versorgt werden und die Wärmeerzeuger mit bis zu 5 MWth sich in Kundennähe befinden. Neben einem Holzheiz(kraft)werk als Grundlast kommt in holzbasierten Wärmenetzen ein Spitzenlastgaskessel zum Einsatz. Als Methode um die potentiellen Umweltwirkungen der Wärmebereitstellung zu erfassen kommt eine Ökobilanz nach ISO 14040/44 zum Einsatz. Dabei wird, anders als bei den bisher vorhandenen Ökobilanzen, auch der Bau und Betrieb der Wärmenetze miteinbezogen. Obwohl die Umweltwirkungen der holzbasierten semi- zentralen Wärmeversorgung stark durch die Wärmebereitstellung dominiert werden zeigt sich, dass eine Betrachtung der Umweltlasten beim Wärmeerzeuger nicht ausreichend ist. Eine Variation der Rahmenbedingungen hat ergeben, dass es zwei Haupteinflussfaktoren auf die Umweltwirkungen der holzbasierten semi- zentralen Wärmeversorgung gibt. Neben der Wärmebereitstellung im Heiz(kraft)werk hat auch der Siedlungstyp einen großen Einfluss, denn je nach Siedlungstyp variieren die Wärmeabnehmer und die Netzstruktur, und damit auch die Wärmeverluste und der Anteil der Wärme der aus Holzreststoffen produziert wird, sehr stark. Der Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen ist durch ihre bessere Brennstoffnutzung sowohl ökologisch als auch ökonomisch vorteilhaft. Aufgrund der großen Variation der Wärmeverluste zwischen Einfamilienhäusern mit 23 Prozent und großen Mehrfamilienhäusern mit 4 Prozent schneiden die größeren Abnehmer immer besser ab. Da bei der Holznutzung weniger Treibhausgasemissionen, ein geringerer Ozonabbau und weniger fossile Ressourcen gegenüber der Gasnutzung anfallen, ist ein höherer Holzenergieanteil vorteilhaft. Allerdings treten dann auch erhöhte Feinstaubemissionen auf. Eine Überprüfung der Wirtschaftlichkeit hat zudem gezeigt, dass eine Umstellung auf eine holzbasierte semi- zentrale Hauswärmeversorgung für Mehrfamilienhäusersiedlungen ökonomisch realisierbar ist. Holzbasierte semi- zentrale Netze in Einfamilienhäusersiedlungen lohnen sich ökonomisch jedoch oft nicht. Ein Vergleich der holzbasierten semi- zentralen Wärmeversorgung mit der heute vorherrschenden dezentralen Nutzung von Erdgas zeigt ein großes Potenzial zur Reduktion von Treibhausgasen, Ozonabbau und fossilen Ressourcen bei Nutzung der holzbasierten Variante. Allerdings steigen die Feinstaubemissionen stark, Sommersmog, Versauerung, terrestrische Eutrophierung und teilweise auch die aquatische Eutrophierung leicht an. Lediglich durch die Nutzung eines Holzvergaser- Blockheizkraftwerkes können die Feinstaubemissionen verringert werden. Ähnliches gilt auch für ein holzbasiertes zentrales Wärmenetz. Auch bei der dezentralen Wärmeversorgung aus Holz sinken Treibhausgase, Ozonabbau und fossile Ressourcennutzung, jedoch steigen die Feinstaubemissionen extrem stark an. Sie liegen über 1.000 Prozent über denen der dezentralen Gasnutzung.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In 2008 almost 40 percent of the German final energy demand was used for room heating and hot water supply. To decrease environmental burdens and to save fossil resources a restructuring of the heating sector is needed. Therefore legislation enforces higher insulation standards of buildings and a more frequent use of renewable energies as well as heating networks. Wood as a renewable and storable energy source is an attractive fuel. However, it must be used as efficiently as possible because of limited wood supplies. Connecting buildings via a heating network is a good option since bigger heating plants can operate at higher efficiencies than small heaters. However, the higher insulation standards of the buildings often oppose the construction of a heating network, because heating networks work best with high energy demands and low network lengths. Therefore the environmental and economic feasibility of new heating networks needs to be checked beforehand. This thesis explores the environmental burdens of different semi- centralized heating networks using wood residues as fuel. A semi- centralized heating network is a network with no more than 500 customers and a heating plant with less than 5 MWth. While wood residues are used in the base load plant, peak load is covered by a gas heating plant. As a method to analyze the potential environmental burdens of the heat supply a life cycle assessment according to ISO 14040/44 is used. Opposed to former life cycle assessment studies, construction and operation of the network is included in the assessment. Even though the environmental impacts of the semi- centralized heating from wood residues are dominated by the heat supply, an observation of the impacts solely at the heating plant is not sufficient. By varying the boundary conditions of the heating network two main contributors to the environmental impacts are found. In addition to the heat production at the plant the type of the buildings in the settlement has a huge impact. Heat demanders and network structure vary for the different settlement types. This impacts the heat losses and the amount of energy generated from wood in the network. Combined heat and power plants promise higher fuel utilization. They decrease costs and environmental impacts. The heat losses in the network vary greatly between 23 percent for small single-family houses and 4 percent for big multi-family buildings. Therefore networks with bigger heat demanders have lower environmental burdens. From an economic point of view the conversion from a gas heater to the connection of a multi- family building to a semi- centralized heating network using wood residues as fuel is worthwhile. However for a single-family building this is often not the case. A comparison between the semi- centralized heat supply from wood residues and the commonly used heat supply from gas heaters shows a large potential to decrease greenhouse gas emissions, ozone depletion and fossil resource usage when using the first variant. However, it increases particulate matter formation, photochemical oxidant formation, eutrophication, and acidification. Only the usage of a wood gasification and a combined heat and power plant decreases particulate matter formation slightly. Similar results were obtained for a centralized heating network using wood residues as fuel. Using wood heaters in the buildings further decreases greenhouse gas emissions, ozone depletion and fossil resources, but results in an increased particulate matter formation. This particulate matter formation is over 1.000 percent bigger than for gas heaters.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Ökobilanz, semi-zentrale Hauswärmebereitstellung, Holzreststoffe
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Faculty of Civil and Environmental Engineering
13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institute IWAR
Date Deposited: 10 Mar 2015 14:42
Last Modified: 20 Jul 2016 12:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-43773
Referees: Schebek, Dr. Liselotte and Wagner, Dr.-Ing. Hermann-Josef
Refereed: 28 November 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4377
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