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2008-01: Erneuerbare Wärme und Kälte 2030

Thema

Abbildung 1
Quelle: Energy Economics Group, Bernhard Baumann

Die Sektoren Wärme und Kälte verursachen gegenwärtig ca. 51% des österreichischen Endenergieverbrauchs, wobei ca. 79 % durch fossile Energieträger und Strom abgedeckt werden. Entwicklungsszenarien bis zum Jahr 2030 zeigen in diesem Zusammenhang die Chancen aber auch die Grenzen zukünftiger erneuerbarer Wärme und Kälte auf..

Erneuerbare Wärme und Kälte 2030

Von Peter Biermayr, Andreas Müller und Lukas Kranzl *

Ziel der folgenden Analysen ist es, die zukünftige Rolle der erneuerbaren Energie und der Energieeffizienz im Sektor Wärme und Kälte bis zum Jahr 2030 zu diskutieren. Der methodische Zugang besteht im Bereich Raumwärme und Warmwasser aus der disaggregierten Abbildung des gesamten österreichischen Gebäudebestandes mit Hilfe des Computermodells ERNSTL [1], einem nicht rekursiven betriebswirtschaftlichen Optimierungsmodell. In allen anderen Bereichen werden ökonometrische Modelle verwendet. Auf dieser Basis werden drei Szenarien betrachtet:

• Basisszenario: Fortschreibung des Status quo. Niedrige Teuerungsraten der Energiepreise sowie unveränderte energiepolitische Rahmenbedingungen bis 2030. CO₂-Emissionen werden nicht bepreist. Die Umsetzung der Gebäuderichtlinie und der endogene technologische Fortschritt (marktgetriebene Effizienzsteigerungen) werden einkalkuliert.
• Ambitioniertes Szenario: Höhere Teuerungsraten der Energiepreise (auf Basis von PRIMES [2]), Berücksichtigung von moderaten CO₂-Preisen (20 €/Tonne) und einer ambitionierteren Energiepolitik (selektivere und stärkere anreizorientierte Instrumente).
• Beschleunigtes Szenario: Weitere Steigerung der Teuerungsraten fossiler Energie auf ca. 3% pro Jahr, höhere CO₂-Preise (50 €/ Tonne) und eine ambitionierte Energiepolitik wie beim ambitionierten Szenario.

Der Sektor Wärme und Kälte wird für die weiteren Betrachtungen in die vier Bereiche Raumwärme plus Warmwasser, Klimatisierung, Dampferzeugung plus Prozesswärme, sowie Industrieöfen gegliedert, wobei der Bereich Raumwärme plus Warmwasser momentan mit ca. 63% den größten Anteil ausmacht.

Raumwärme und Warmwasserbereitung: Der Endenergieverbrauch

Ein zunächst überraschendes Ergebnis ist die gleichmäßige Reduktion des Gesamtverbrauchs für Raumwärme und Warmwasserbereitung in allen drei Szenarien, wie dies in Abbildung 1 dargestellt ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass normative Instrumente (Bauordnung, Gebäuderichtlinie) in allen Szenarien gleichermaßen umgesetzt werden und über die Zeit jeweils der aktuelle Stand der Technik implementiert wird. Diese Mechanismen bewirken eine fortschreitende Verbesserung der Energieeffizienz des Gebäudebestandes sowie der Wärmebereitstellungstechnologien.

Abbildung 2: Endenergieverbrauch für Heizung und Warmwasserbereitung in Österreich – Referenz 2005 und die Szenarienergebnisse für 2030 (Quelle: eigene Berechnungen)

Das Modell zeigt eine Reduktion des Endenergieverbrauchs von ca. 349 PJ im Jahr 2005 auf ca. 247 PJ im Jahr 2030. Dies entspricht einer Reduktion um 29%. Die Struktur des Endenergieverbrauchs 2030 zeigt jedoch je nach Szenario deutliche Unterschiede. Sowohl das ambitionierte als auch das beschleunigte Szenario weisen deutlich höhere Anteile an erneuerbarer Energie auf, als dies beim Basisszenario der Fall ist. Während im Basisszenario bis zum Jahr 2030 ca. 61% Erneuerbare erreicht werden, liegen diese Anteile beim ambitionierten Szenario bei ca. 76% und beim beschleunigten Szenario bei ca. 79%, die erneuerbaren Anteile des elektrischen Stroms nicht mitgerechnet.
Der Unterschied zwischen ambitionierten Szenario und beschleunigten Szenario ist somit relativ gering, wobei in Hinblick auf die zeitliche Entwicklung das beschleunigte Szenario die hohen Anteile erneuerbarer Energie früher erreicht. Der größte Unterschied zwischen den beiden letztgenannten Szenarien tritt im Jahr 2025 auf. Gegen Ende der Betrachtungsperiode zeigt sich beim beschleunigten Szenario ein Sättigungseffekt. Beschleunigtes Szenario und ambitioniertes Szenario nähern sich hier wieder an. Alles deutet darauf hin, dass es nach 2030 hoher Anstrengungen bedarf, um den Anteil erneuerbarer Energie noch deutlich weiter zu steigern.

Abbildung 3: Die Sektoren Wärme und Kälte verursachen ca. 51 % des österreichischen Endenergieverbrauchs
(Quelle:Energy Economics Group, Peter Biermayr)

Die Technologiediffusion

Abbildung 4 zeigt die Technologiediffusion für die drei Szenarien und die Jahre 2020 und 2030. Abgebildet sind der jeweilige Anlagenbestand der Hauptheizsysteme sowie die Anzahl der Solaranlagen. Die strukturellen Unterschiede zwischen dem Basisszenario und dem ambitionierten bzw. dem beschleunigten Szenario einerseits und den Jahren 2020 und 2030 andererseits sind deutlich zu erkennen. Das beschleunigte Szenario eilt dem Basisszenario in Hinblick auf Struktur und Größenordnungen um gut 10 Jahre vor.

Abbildung 4: Technologiediffusion von Hauptheizsystemen und Solaranlagen in den Szenarien für die Jahre 2005, 2020 und 2030 (Quelle: eigene Berechnungen)

Die Anzahl der Ölheizungen sinkt in allen Szenarien bis 2030 auf unter ein Zehntel der im Jahr 2005 vorhandenen Anlagen. Die Hauptdynamik findet hierbei im Zeitraum von 2020 bis 2030 statt. Die Gasheizung bleibt im Basisszenario ein wesentliches Heizsystem, in den beiden anderen Szenarien ist eine deutliche Reduktion der Gasheizsysteme zu verzeichnen. Die Anzahl der Scheitholz-Heizsysteme steigt in allen Szenarien moderat, die höchste Steigerung tritt im Fall des beschleunigten Szenarios auf. Pelletssysteme nehmen in allen Szenarien einen hohen Stellenwert ein, wobei die stärkste Diffusion unter den Randbedingungen des ambitionierten Szenarios für 2030 zu verzeichnen ist. Die Verbreitung der klassischen Fernwärme ist über weite Bereiche etwa konstant. Dies betrifft vor allem das Basisszenario und das ambitionierte Szenario. Im Modell wurden Mechanismen implementiert, die den Umstieg von Fernwärme auf ein anderes System deutlich erschweren um die praxisrelevanten (politischen) Rahmenbedingungen abzubilden. Trotzdem gerät im beschleunigten Szenario die klassische Fernwärme zunehmend unter Preisdruck. Hier ist die parallel stattfindende Steigerung der Diffusion der Biomasse-Nahwärme Systeme als Kompensation zu verstehen. In der Praxis ist dieser Effekt auch als Änderung des Brennstoffmix im Bereich der Nah- und Fernwärmeanlagen zu interpretieren, wobei der wirtschaftliche Betrieb von Wärmenetzen angesichts der steigenden Energieeffizienz der Gebäude zunehmend schwieriger wird (sinkende Abnahmedichte). Heizsysteme auf Kohlebasis werden im Betrachtungszeitraum in allen Szenarien bis zur Bedeutungslosigkeit reduziert. Alte Kohlekessel werden spätestens am Ende ihrer Lebensdauer gegen andere Systeme ersetzt. Eine deutliche Reduktion der Systemzahl ist auch im Fall der Strom-direkt Heizungen zu verzeichnen, wobei eine Staffelung nach Szenarien zu beobachten ist. Wärmepumpensysteme verzeichnen in allen Szenarien eine deutliche Diffusion, wobei die höchsten Zahlen unter den Randbedingungen des beschleunigten Szenarios erreicht werden. Die Steigerungsraten betreffen hierbei sowohl den Bereich des innovativen energieeffizienten Neubaus als auch den innovativen Sanierungsbereich.

Abbildung 5: Bis 2020 könnten im beschleunigten Szenario 9,7 Millionen Tonnen CO₂ eingespart werden (Quelle: Energy Economics Group, Peter Biermayr)

Die CO₂-Relevanz

Aus der Reduktion des Endenergieverbrauchs für Raumheizung und Warmwasserbereitung sowie der Umstrukturierung des Energiemix in diesem Bereich resultiert eine deutliche Reduktion der CO₂-Emissionen. Tabelle 1 dokumentiert die Ergebnisse. Die CO₂-Emissionen betragen im Jahr 2005 ca. 22,3 Mio. Tonnen. Bis zum Jahr 2020 können im Basisszenario 7,0 Mio. Tonnen, im ambitionierten Szenario 9,0 Mio. Tonnen und im beschleunigten Szenario 9,7 Mio. Tonnen eingespart werden. Bis zum Jahr 2030 sind Einsparungen von 11,7, 14,0 und 14,9 Mio. Tonnen CO₂ zu verzeichnen.

Tabelle 1: CO₂-Einsparungen im Sektor Raumwärme und Warmwasserbereitung bezogen auf das Jahr 2005 (Quelle: eigene Berechnungen)

Gesamtbetrachtung Wärme und Kälte

Die Gesamtentwicklung des Endenergieverbrauchs des Bereiches Wärme und Kälte ist in Abbildung 5, links, anhand des ambitionierten Szenarios dargestellt. Die Reduktion des Endenergieverbrauchs resultiert vor allem aus der Verbesserung der Gebäude-Energieeffizienz.
Die Entwicklung des zugehörigen Energieträgermix ist in Abbildung 5, rechts, veranschaulicht. Der strukturelle Wandel der Energieversorgung von fossiler zu erneuerbarer Energie wird deutlich. Der Anteil erneuerbarer Energie (ohne Strom) beträgt dabei im Jahr 2005 20,6% und erhöht sich bis zum Jahr 2030 auf 57,5%.
Aus der Reduktion des Endenergieverbrauchs und der strukturellen Veränderung der Endenergieaufbringung resultiert schlussendlich eine deutliche Reduktion der CO₂-Emissionen. Die Emissionsreduktion beträgt im ambitionierten Szenario für den gesamten Wärmebereich 11,7 Mio. Tonnen bis zum Jahr 2020 und 19,6 Mio. Tonnen bis zum Jahr 2030.

Abbildung 6: Entwicklung Endenergieverbrauch und Energieträgermix für den gesamten Wärmesektor im ambitionierten Szenario (Quelle: eigene Berechnungen)

Der Wärme- und Kältesektor unter dem Licht der Regierungsziele

Österreich hat sich, wie auch die Europäische Union und andere Nationalstaaten, ambitionierte Ziele in Hinblick auf die zukünftige Nutzung erneuerbarer Energie gesetzt. Der Anteil erneuerbarer Energie am Bruttoinlandsverbrauch soll demnach bis zum Jahr 2010 auf 25% ansteigen und bis 2020 soll ein Anteil von 45% erreicht werden.
Der nationale Endenergieverbrauch betrug im Jahr 2004 für alle Sektoren in Summe 1080 PJ, wovon 22,5% erneuerbare Energie (inklusive Wasserkraft und Erneuerbare im Strommix) waren. Mit den Wachstumszahlen des Endverbrauches [4] hochgerechnet, ergibt sich für das Jahr 2020 für Österreich ein energetischer Endverbrauch von 1277 PJ. 45% Erneuerbare im Jahr 2020 würden somit einen erneuerbaren Anteil von 575 PJ ausmachen. Die Anteile dieses Ziels, die vom Sektor Wärme und Kälte erfüllt werden können sind in Tabelle 2 dokumentiert. Der Sektor Wärme und Kälte kann somit je nach Szenario einen Anteil von 38,6% (Basisszenario) bis 43,5% (beschleunigtes Szenario) des Gesamtziels erfüllen (Erneuerbare im Strommix sind hierbei berücksichtigt). Das heißt, mehr als die Hälfte des erneuerbaren Anteils muss in anderen Verbrauchssektoren als im Sektor Wärme und Kälte umgesetzt werden.

Tabelle 2: Beitrag des Wärme- und Kältesektors in Hinblick auf das Regierungsziel 45% Erneuerbare bis 2020 Quelle: EEG (2007)

Abbildung 7: Der Einsatz von Biomasse für Hochtemperatur-Wärme ist zu überlegen (Quelle: Energy Economics Group, Peter Biermayr)

Schlussfolgerungen

Aus den getätigten Untersuchungen können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden:
Im Zeitraum bis 2030 können hohe Anteile des Energieverbrauches im Sektor Wärme und Kälte mit Erneuerbaren abgedeckt werden. 100% Erneuerbare sind jedoch unter stetigen Randbedingungen und mit den heute verfügbaren Technologien bis 2030 voraussichtlich nicht erreichbar.
Der Sektor Wärme und Kälte kann auch im beschleunigten Szenario nur weniger als die Hälfte zur Erfüllung des Regierungsziels 45% Erneuerbare bis 2020 beitragen. Die fehlenden Teile müssen in anderen Bereichen, z.B. im Verkehrsbereich oder beim Stromverbrauch umgesetzt werden.
Es sind im Sektor Wärme und Kälte umfangreiche CO₂-Emissionsreduktionen möglich, welche sich aus der Steigerung der Energieeffizienz und einem Strukturwandel im Energiemix in Richtung Erneuerbare zusammensetzen. Beide Komponenten sind gleichermaßen wichtig.
Für eine kontinuierliche Entwicklung einer Wärmeversorgung auf Basis erneuerbarer Energie sind stabile, langfristig kalkulierbare energiepolitische Randbedingungen und ein hohes Maß an Investitionssicherheit erforderlich.
Aus technologischer Sicht müssen Systemlösungen angestrebt werden, deren Ziel eine optimale Kombination von Energieeffizienz und Erneuerbarer ist, wobei das Prinzip einer kaskadischen Nutzung (z.B. Temperaturniveaus) eine große Rolle spielt.
Bei einem forcierten Einsatz erneuerbarer Energie im Wärmebereich werden 2030 bereits sehr hochpreisige Potenzialbereiche der Biomasse genutzt. Da Biomasse Hochtemperatur-Wärme bereitstellen kann, ist ein optimaler Einsatz dieses wertvollen Energieträgers im Gesamtenergiesystem zu überlegen.
Selbst im Basisszenario werden große Energieeinsparungen durch Erhöhung der Energieeffizienz erreicht. Dies ist jedoch kein endogener Effekt. Grundvoraussetzung ist, dass die bestehenden Effizienzprogramme (z.B. EU-Rahmenrichtlinie 2020) exakt umgesetzt werden.
Die Systemzeitkonstanten, vor allem jene der Energieeffizienz im Wärmesektor sind durch die Langlebigkeit der Komponenten enorm. Energiepolitische Maßnahmen sind deshalb ohne Verzug umzusetzen. Steuernde Maßnahmen müssen deutliche Signale aussenden.
Die beschriebenen Entwicklungen können nur erreicht werden, wenn sich die ökonomischen Randbedingungen für Investitionen nicht verschlechtern. Vor allem die nötigen Energieeffizienzmaßnahmen (Gebäudesanierung!) sind mit hohen und langfristigen Investitionen verknüpft.
Beim Design energiepolitischer Instrumente sind folgende volkswirtschaftlich relevante positiven Effekte mit zu berücksichtigen:

• Der nationale Zahlungsabfluss für den Import von fossilen Energieträgern wird durch eine inländische Wertschöpfung substituiert.
• Die Versorgungssicherheit im Bereich Wärme und Kälte wird erheblich verbessert. Diese Qualität wurde bisher für den Wärmebereich kaum diskutiert, kann jedoch rasch an Bedeutung gewinnen.
• Die Diffusion von Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energie im Wärmebereich führt zu einer erheblichen Reduktion von CO₂-Emissionen.
• Die Umsetzung einer offensiven Strategie zur Diffusion von Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energie schafft für Österreich die Chance zu einer europäischen Modellregion zu werden. Österreich hat sowohl aus der Sicht der historischen Technologiediffusion als auch aus der Sicht der Rohstoffe und Produktionsinfrastruktur hierzu optimale Voraussetzungen.
• Die aktive Entwicklung und Forcierung des Inlandsmarktes für erneuerbare Energie Technologien schafft optimale Voraussetzungen zur Entwicklung des Exportmarktes.
• Die diskutierten Technologien nutzen dezentral regionale erneuerbare Ressourcen und sind dadurch kompatibel mit der dezentralen Ressourcenverteilung und der Verteilung des Energiedienstleistungsbedarfs. Transportwege werden dadurch minimiert und eine hohe Versorgungssicherheit wird gewährleistet.

Abbildung 8: (Quelle:Gustav Resch)

*) Dr. Peter Biermayr und Dr. Lukas Kranzl sind wissenschaftliche Mitarbeiter, Dipl.-Ing. Andreas Müller ist Assistent der Energy Economics Group an der Technischen Universität Wien, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!, www.eeg.tuwien.ac.at [^]