Grundlagen/Vergleich Energiebilanz

Eine Variante ist erst dann besser als eine andere, wenn klar ist, was genau verglichen wird. EPOS-Plan liefert dafür die vollständige Energiebilanz eines Jahres – nicht nur Jahressummen, sondern den zeitlichen Verlauf, aus dem sich Deckungsanteile, Reste und Überschüsse ableiten. Ob eine Wärmepumpe „70 Prozent deckt“, eine Variante „ein Drittel weniger Energie braucht“ oder eine PV-Anlage „60 Prozent Eigenverbrauch“ erreicht, hängt davon ab, wo die Bilanzgrenze liegt, welche Energieebene gezählt wird und was im Nenner steht. Diese Seite erklärt die Bilanzgrenze eines Projekts, die Ebenen von der Nutzenergie bis zur Endenergie, wie EPOS-Plan Deckungsanteile, Endenergie, Strombilanz und Emissionen aus der Simulation bildet und worauf es beim Vergleich zweier Varianten ankommt.

Bilanzgrenze und Bezugsgrößen

Grundlage jedes Vergleichs ist eine eindeutige Bilanzgrenze. EPOS-Plan zieht sie um das Projekt: Gebäude, Erzeuger, Speicher und Wärmeverteilung liegen innerhalb, Energieträger, Umweltwärme und Sonne kommen von außen herein, Einspeisung und Verluste gehen hinaus. Auf der Wärmeseite steht der Nutzwärmebedarf aus Heizung, Warmwasser und Prozesswärme, ergänzt um die Netzverluste der Wärmeverteilung, die Zirkulation des Warmwassers und eine thermische Desinfektion; ein Kältebedarf gekühlter Gebäude läuft als eigener Kanal mit eigener Kaskade daneben und wird nicht mit der Wärme verrechnet. Auf der Stromseite steht der gesamte Strombedarf des Objekts einschließlich der Verbräuche der Wärmeerzeuger – Wärmepumpen, Heizstäbe, Elektroheizkessel, Kältemaschinen, die Pumpe der Solarthermie, die Ladung von Elektrofahrzeugen und die Netzladung eines Stromspeichers. Wichtig ist die Unterscheidung der Ebenen: Nutzenergie ist die tatsächlich benötigte Wärme, Endenergie der eingesetzte Brennstoff beziehungsweise der bezogene Strom, und erst über Emissionsfaktoren wird daraus eine Aussage zur Umweltwirkung.

Bilanzgrenze eines Projekts mit Heizkessel, Wärmepumpe, Pufferspeicher und PV-Anlage: herein Erdgas und Netzstrom als Endenergie, Umweltwärme und Sonne, hinaus Einspeisung und Verluste; die Pfeilbreite folgt der Jahresmenge. Prinzipbild, Beispielwerte gerundet.

Speicherverluste gehören nicht zum Bedarf. Der Bereitschaftsverlust eines Pufferspeichers mindert, was der Speicher wieder abgibt; er steht deshalb auf der Seite der Erzeuger, als Unterschied zwischen der Wärme, die ein Erzeuger am Gerät liefert, und der Wärme, die beim Bedarf ankommt. Ebenso liegen die Verluste eines Kessels – Abgas, Bereitschaft, Anfahren – zwischen Brennstoff und Nutzwärme. Die Netzverluste dagegen sind Teil des Bedarfs: Sie gelten als fester Betrag je Stunde über alle 8 760 Stunden, entweder als Prozentsatz des Jahresbedarfs, der im Verhältnis der Bedarfsarten auf Heizung, Warmwasser und Prozess verteilt wird, oder als eigener Betrag je Bedarfsart. Damit stehen sie im Nenner jedes Deckungsanteils.

Beispiel. Ein Projekt braucht im Jahr 70 MWh für die Heizung und 25 MWh für Warmwasser, dazu 5 MWh Netzverluste: Der Wärmebedarf an der Bilanzgrenze beträgt 100 MWh. Die Wärmepumpe erzeugt am Gerät 72 MWh, davon gehen 2 MWh im Pufferspeicher verloren, 70 MWh kommen beim Bedarf an; der Kessel deckt die übrigen 30 MWh aus 33 MWh Erdgas. Die Wärmepumpe nimmt dafür 20 MWh Strom auf, die übrigen 52 MWh der Erzeugung sind Umweltwärme.

Ebenen der Energie

Drei Ebenen tragen eine Energiebilanz, und jede beantwortet eine andere Frage:

Die Nutzenergie ist, was beim Verbraucher gebraucht wird – Raumwärme, Warmwasser, Prozesswärme, Kälte, Strom der Geräte. Sie hängt am Gebäude und an der Nutzung, nicht an der Technik, und ist deshalb in allen Varianten eines Projekts gleich, solange Gebäude und Profile gleich bleiben.
Die Erzeugung am Gerät ist, was ein Erzeuger abgibt, einschließlich der Wärme, die er in einen Speicher lädt. Aus ihr und dem Energieeinsatz des Geräts folgen Kennzahlen wie die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe oder der Nutzungsgrad eines Kessels.
Die Endenergie ist, was über die Bilanzgrenze bezogen und bezahlt wird: Brennstoff für Kessel und BHKW, Strom aus dem Netz. Umweltwärme und Sonne sind keine Endenergie; sie kommen herein, ohne bezogen zu werden.

EPOS-Plan bildet die Endenergie eines Laufs als Summe aller bezogenen Mengen, jede einmal gezählt:

$E_{E n d} = \sum_{k} B_{k} + E_{N e t z} + E_{H i l f} + E_{K}$

mit dem Brennstoff $B_{k}$ jedes Kessels und BHKW, dem Netzbezug $E_{N e t z}$ , dem Hilfsstrom $E_{H i l f}$ von Kesseln und BHKW, der als Anteil des Brennstoffs gerechnet wird und nicht im Netzbezug der Simulation steht, und dem Strom $E_{K}$ von Kälteanlagen mit eigenem Zähler. Primärenergie rechnet EPOS-Plan nicht; ein Primärenergiefaktor im Brennstoffkatalog ist eine Angabe zum Träger, keine Rechengröße des Laufs. Wer eine Primärenergiebilanz braucht, multipliziert die Endenergie je Träger außerhalb des Programms mit den Faktoren der gültigen Regel.

Beispiel. An der Bilanzgrenze des Bildes stehen 33 MWh Erdgas und 42 MWh Netzstrom, zusammen 75 MWh Endenergie. Die 52 MWh Umweltwärme und der Ertrag der PV-Anlage zählen nicht dazu; sie senken die Endenergie, weil sie Brennstoff und Netzbezug ersetzen.

Wie EPOS-Plan die Bilanz bildet

Die Simulation rechnet die Wärme Stunde für Stunde über 8 760 Stunden und die Strombilanz Viertelstunde für Viertelstunde. In jeder Stunde arbeitet die Kaskade der Erzeuger den Bedarf ab; was am Ende offen bleibt, ist die Restwärme, der ungedeckte Bedarf der Stunde. Die Jahreswerte entstehen als Summen dieser Stunden – deshalb lassen sich Deckungsanteile, Reste und Überschüsse auch je Monat und je Stunde zeigen.

Deckungsanteil je Erzeuger. Der Deckungsanteil zählt die Wärme, die ein Erzeuger an den Bedarf liefert, nicht die Wärme, die er am Gerät erzeugt:

$d_{i} = \frac{Q_{L, i}}{Q_{B e d a r f}} Wärmedeckung gesamt = \frac{Q_{B e d a r f} - Q_{R e s t}}{Q_{B e d a r f}}$

Die Lieferung $Q_{L, i}$ ist die Direktdeckung in der Kaskade plus der Anteil der Speicherentladung, der dem Erzeuger zugerechnet wird, bei der Wärmepumpe auch die Wärme ihres Heizstabs; $Q_{B e d a r f}$ ist der Wärmebedarf des Projekts samt Netzverlusten, $Q_{R e s t}$ die Restwärme. Die Deckungsanteile aller Erzeuger ergeben zusammen mit dem Rest 100 Prozent. Die Wärmeproduktion eines Erzeugers ist dagegen die Erzeugung am Gerät einschließlich der Speicherladung; sie ist um Speicherverluste und bei BHKW und Solarthermie um verworfene Überschüsse größer als die Lieferung. Ein Überschuss, den kein Speicher mehr aufnimmt, steht als eigene Größe im Ergebnis und zählt nicht zur Deckung.

Energieeinsatz je Erzeuger. Jeder Erzeuger rechnet seinen Einsatz aus seiner Kennlinie:

Heizkessel: Brennstoff = Nutzwärme durch den Wirkungsgrad bei der Teillast der Stunde, plus Anfahr- und Bereitschaftsverlust; daraus folgt der Jahresnutzungsgrad. Ein Elektroheizkessel rechnet mit dem Wirkungsgrad 1, sein Strom steht im Netzbezug.
BHKW: Brennstoff = (Wärme + Strom) durch den Gesamtwirkungsgrad, plus Mehrbrennstoff aus Teillast und Anfahren. Der Brennstoff folgt der Fahrweise; Wärme, die niemand abnimmt, ist Überschuss.
Wärmepumpe: Strom = Wärme durch die Leistungszahl des Kennfelds in dieser Stunde, plus der Mehrstrom des Taktens; der Heizstab rechnet mit der Leistungszahl 1. Die Umweltwärme ist die Differenz aus Wärme und Strom; EPOS-Plan zeigt sie im Energieflussbild und im Bilanzbalken, führt sie aber nicht als eigene Ergebnisgröße. Die Jahresarbeitszahl erklärt Wärmepumpe: Jahresarbeitszahl.
Solarthermie: Der Kollektorertrag ist die genutzte oder in den Speicher geladene Wärme plus der verworfene Überschuss; die solare Deckung zählt nur die genutzte Wärme (direkt und aus dem Speicher) gegen den Wärmebedarf.

Strombilanz. Der Strombedarf der Verbraucher kommt aus Profilen und Lastgängen; der Strombedarf mit den Erzeugern addiert den Strom von Wärmepumpe, Heizstab, Elektroheizkessel, Kälteerzeugung, die Ladung von Elektrofahrzeugen sowie Netzladung und Bereitschaft des Stromspeichers. Je Viertelstunde deckt zuerst der eigene Strom aus PV und BHKW, dann – im Eigenverbrauchsbetrieb – der Stromspeicher, der Rest kommt aus dem Netz; ein Überschuss lädt den Speicher und wird bis zur Einspeisegrenze eingespeist, darüber abgeregelt. Die beiden Quoten der Ergebnisseite:

$Eigenverbrauchsquote = \frac{E_{E i g e n} - E_{E i n s p} - E_{A b r e g}}{E_{E i g e n}} Autarkiequote = \frac{E_{B e d a r f} - E_{N e t z}}{E_{B e d a r f}}$

mit der Eigenerzeugung $E_{E i g e n}$ aus PV und BHKW, der Einspeisung, der Abregelung, dem Strombedarf mit den Erzeugern und dem Netzbezug. Strom, der in den Speicher geht, zählt als selbst genutzt; abgeregelter Strom nicht. Ohne Eigenerzeugung zeigt das Ergebnis keine Quote statt null Prozent.

Beispiel. Im Bild liefert die PV-Anlage 30 MWh, 12 MWh werden eingespeist: Die Eigenverbrauchsquote beträgt (30 − 12) / 30 = 60 Prozent. Der Strombedarf mit den Erzeugern ist 40 MWh der Verbraucher plus 20 MWh der Wärmepumpe = 60 MWh, der Netzbezug 60 − 18 = 42 MWh, die Autarkiequote (60 − 42) / 60 = 30 Prozent. Die Wärmepumpe erreicht 72 / 20 = 3,6 als Jahresarbeitszahl, der Kessel 30 / 33 = 0,91 als Nutzungsgrad.

Was verglichen wird

Für jede Variante weist die Simulation aus, welcher Erzeuger welchen Anteil des Bedarfs deckt, wie viel Brennstoff dafür eingesetzt wird, wie viele Betriebsstunden anfallen und welcher Rest ungedeckt bleibt. Auf der Stromseite kommen Eigenverbrauch, Einspeisung, Netzbezug und die Nutzung des Speichers hinzu. Aussagekräftig sind vor allem vier Vergleichsgrößen: der Deckungsanteil je Erzeuger, der End- beziehungsweise Brennstoffeinsatz, die Emissionen und der Restbedarf, der die Grenzen der Auslegung sichtbar macht.

Weil alle Varianten auf denselben Bedarfsdaten und demselben Klimadatensatz beruhen, sind sie unmittelbar vergleichbar. Sinnvoll ist es, jeweils nur eine Größe zu ändern – Vorlauftemperatur, Maschinengröße, Speichervolumen, Betriebsmodus oder Erzeugerreihenfolge – und die Wirkung isoliert zu betrachten.

Der Reiter Energie unter Berichte & Kosten stellt die Kennzahlen der gewählten Versionen nebeneinander – Bedarf, Erzeugung, Strom, Endenergie, Deckung, Effizienz und CO₂ – und markiert je Zeile die Abweichung vom Stammstand in Prozent (Varianten: Reiter Energie). Zwei Dinge sind dabei zu prüfen, bevor eine Zahl als Vorteil gilt: Ist der Wärmebedarf in beiden Versionen gleich (eine andere Netzverlustangabe verschiebt den Nenner jedes Deckungsanteils), und ist der Restbedarf in beiden Versionen gleich klein (eine Variante, die weniger Brennstoff braucht, weil sie Bedarf ungedeckt lässt, ist nicht sparsamer, sondern zu klein)?

Referenzvariante

Ein Vergleich braucht einen Bezugspunkt. Bewährt hat sich eine einfache Referenz, etwa die reine Kesselversorgung oder der Bestand vor der Sanierung. Gegen diese Referenz lassen sich Einsparungen an Endenergie, Netzbezug und Emissionen quantifizieren – und in der Wirtschaftlichkeitsrechnung die Mehrinvestition ins Verhältnis setzen. In der Wirtschaftlichkeit wählt ein Optionsfeld je Zeile die Referenz der Vergleichsgruppe; ohne Wahl gilt der Stammstand (Wirtschaftlichkeit: Referenz).

Hat eine Version keinen Erzeuger, der Strom verbraucht, bleibt ihr Netzbezug in der Einzelbetrachtung ohne Preis und ohne Emission – der Strom der Verbraucher ist dann für alle Wärmevarianten gleich und fällt aus dem Vergleich heraus. Verbraucht eine andere Version der Gruppe Strom für die Wärme, bewertet EPOS-Plan den Netzbezug aller Versionen der Gruppe mit Preis und Emission, damit die Referenz denselben Strom trägt wie die Variante (Wirtschaftlichkeit: Gruppenregel).

Beispiel. Die Referenz deckt dieselben 100 MWh mit einem Kessel und dem Nutzungsgrad 0,91: Sie braucht rund 110 MWh Erdgas und bezieht die 40 MWh der Verbraucher aus dem Netz, zusammen 150 MWh Endenergie. Die Variante des Bildes kommt mit 75 MWh aus, der Hälfte. Der Netzbezug steigt dabei von 40 auf 42 MWh, obwohl die Wärmepumpe 20 MWh Strom braucht, weil die PV-Anlage 18 MWh selbst beisteuert. Weil die Variante Strom für Wärme verbraucht, wird der Netzbezug in beiden Versionen bewertet.

Emissionen

Die Brennstoffverbräuche werden je Energieträger mit den hinterlegten Emissionsfaktoren bewertet. Je nach Einstellung rechnet EPOS-Plan mit reinem CO₂ oder mit dem CO₂-Äquivalent, in dem die gepflegten Emissionsarten mit ihrem Treibhauspotenzial ${G W P}_{100}$ gewichtet eingehen; weitere Arten wie SO₂, NO_x und Staub lassen sich pflegen. Auf der Stromseite ergibt sich die Einsparung aus dem vermiedenen Netzbezug. Da sich Emissionsfaktoren und Strommix im Zeitverlauf ändern, stehen sie in einem eigenen Emissionskatalog mit Quellenangabe und sollten für belastbare Aussagen aktuell gehalten werden.

Die Emissionen eines Laufs sind die Summe aus Brennstoff und Netzbezug, je mit dem Faktor ihres Trägers:

$m_{C O_{2}} = \sum_{k} B_{k} \cdot f_{k} + E_{N e t z} \cdot f_{N e t z}$

Der Hilfsstrom von Kesseln und BHKW geht mit dem Faktor des Netzstroms ein, der Strom von Kälteanlagen mit eigenem Zähler mit dem Faktor seines Trägers. Für eingespeisten Strom gibt es in dieser Summe keine Gutschrift; eine PV-Anlage senkt die Emissionen allein dadurch, dass sie den Netzbezug senkt. Die spezifische Zahl teilt die Emissionen durch den Wärmebedarf (Gramm je Kilowattstunde Wärme). Die Kachel CO₂-Ersparnis der Autarkieanalyse rechnet anders herum: Sie bewertet den selbst genutzten PV-Strom (direkt und über den Speicher) mit dem Faktor des Netzstroms und die genutzte Solarwärme mit dem Faktor des Brennstoffs, den sie verdrängt – des Kessels, ohne Kessel des BHKW. Eine Gutschrift für eingespeisten KWK-Strom kennt nur die eigene Emissionsbilanz des BHKW, die gekoppelte gegen getrennte Erzeugung stellt.

Beispiel. Mit den Beispielfaktoren 200 g/kWh für Erdgas und 400 g/kWh für Netzstrom stößt die Referenz 110 × 0,20 + 40 × 0,40 = 38 t CO₂ im Jahr aus, die Variante 33 × 0,20 + 42 × 0,40 = 23,4 t, rund 38 Prozent weniger. Bezogen auf 100 MWh Wärmebedarf sind das 380 und 234 g/kWh. Die Faktoren sind runde Beispielwerte; gerechnet wird mit den Werten des Emissionskatalogs.

Darstellung

Die Ergebnisseite zeigt Wärme- und Strombedarfsdeckung als Ringdiagramm mit den Anteilen aller beteiligten Erzeuger, den verbleibenden Rest als Kennzahl und die Jahresarbeit je Erzeuger in einer Tabelle. Die Autarkieanalyse stellt monatsweise gegenüber, welcher Anteil des Strombedarfs direkt, aus dem Speicher oder aus dem Netz gedeckt wird, und weist Autarkiegrad, solarthermische Deckung, thermischen Nutzungsgrad und CO₂-Einsparung aus. Für eigene Auswertungen und für den Variantenvergleich in Tabellenform lassen sich sämtliche Zeitreihen als CSV-Datei mit Zeitstempel und Außentemperatur exportieren.

Die wirtschaftliche Bewertung baut auf diesen Mengengerüsten auf; wie sie erfasst und bewertet werden, beschreiben Kostenrechnung, Erlösrechnung und Wirtschaftlichkeitsrechnung.

Was das für den Vergleich bedeutet

Erst den Rest prüfen. Eine Variante mit Restwärme spart scheinbar Energie, weil sie Bedarf nicht deckt. Im Lauf steht die Restwärme als Kennzahl, und das Laufprotokoll meldet eine Unterdeckung ab 0,1 Prozent des Bedarfs.
Denselben Nenner nehmen. Deckungsanteile beziehen sich auf den Wärmebedarf samt Netzverlust. Wer die Netzverluste zwischen zwei Varianten ändert, ändert jeden Anteil; der Vergleich zeigt das als Abweichung im Bedarf.
Lieferung und Erzeugung nicht mischen. Die Jahresarbeitszahl rechnet mit der Erzeugung am Gerät, der Deckungsanteil mit der Lieferung an den Bedarf. Ein großer Speicher mit hohen Verlusten verbessert keine Arbeitszahl, senkt aber die Deckung.
Endenergie statt Erzeugung vergleichen. Was über die Grenze bezogen wird, kostet Geld und Emissionen; Umweltwärme und Sonne sind frei. Im Reiter Energie steht dafür die Zeile Endenergie.
Strom vollständig zählen. Eine Wärmevariante mit Wärmepumpe verschiebt Energie von Brennstoff zu Strom; der Vergleich ist erst fair, wenn der Netzbezug in allen Versionen bewertet wird – die Gruppenregel sorgt dafür.
Faktoren aktuell halten. Die Emissionsbilanz ist nur so gut wie der Faktor des Netzstroms; bei einer Variante mit viel Netzbezug entscheidet er über das Vorzeichen der Einsparung.

Siehe auch

Ergebnisdarstellung – Ringdiagramme, Autarkieanalyse und Kennzahlen im Programm
Programm Dokumentation/Simulationsergebnisse – Ergebnisseite mit Übersicht, Bildern und Kennzahlen
Programm Dokumentation/Varianten – Varianten anlegen und vergleichen
Programm Dokumentation/Wirtschaftlichkeit – Referenz der Vergleichsgruppe und Bewertung des Netzbezugs
Datenexport – CSV-Export sämtlicher Zeitreihen
Stammdaten und Datenimport – Emissionsfaktoren und Energieträger pflegen