Wirtschaftlichkeitsberechnung für Quartiere mit Wärmenetz

Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsberechnung

Die Wirtschaftlichkeitsanalyse in nPro basiert auf der VDI-Richtlinie 2067 (Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Grundlagen und Kostenberechnung). Aus der Richtlinie übernommen sind insbesondere die Annualisierung der Investitionen über kalkulatorischen Zinssatz und technische Lebensdauer, die Berücksichtigung von Ersatzbeschaffungen und Restwerten sowie der Ansatz der Wartungskosten als Prozentsatz der Investition. Berücksichtigt werden alle Investitionen für die Gebäudeenergiesysteme, das Wärmenetz und die zentralen Komponenten in der Energiezentrale – also das Quartier als Ganzes und nicht nur einzelne Anlagen.

Die Berechnung erfolgt dabei aus der Perspektive des Betreibers des Energiesystems: Was die Gebäudebesitzer für gelieferte Wärme, Kälte und Strom zahlen, erscheint als Erlös. Es handelt sich also um eine betriebswirtschaftliche und nicht um eine volkswirtschaftliche Betrachtung des Quartiers.

Annuitäten und Kapitalwert

Investitionen fallen einmalig an, ihr Nutzen verteilt sich jedoch über viele Jahre. Um beides vergleichbar zu machen, werden die Investitionen über den kalkulatorischen Zinssatz und die technische Lebensdauer der jeweiligen Technologie in Annuitäten umgerechnet, also in gleichmäßige jährliche Zahlungen. Zusammen mit allen laufenden Kosten und Erlösen ergeben sie die jährlichen Gesamtkosten bzw. -erlöse.

Kapitalwert und Jahresbilanz sind damit zwei Darstellungen derselben Sache: Weil die Jahresbilanz die annualisierten Investitionen, Pauschalkosten und Förderungen bereits enthält, entspricht ihr Saldo genau der Annuität des Kapitalwerts. Ein positiver Saldo bedeutet folglich auch einen positiven Kapitalwert – und damit ein unter den gewählten Annahmen wirtschaftliches Projekt.

Entscheidend für diesen Schluss ist, dass die Anfangsinvestition in der Jahresbilanz enthalten ist. Aus den laufenden Ein- und Auszahlungen allein ließe er sich nicht ziehen: Ein Projekt kann laufend Überschüsse erwirtschaften und wegen hoher Anfangsinvestitionen dennoch einen negativen Kapitalwert aufweisen.

Zu den Erlösen zählen dabei auch die Einnahmen des Betreibers, die er von den Gebäudebesitzern für die gedeckten Wärme-, Kälte- und Strombedarfe erhält. Diese lassen sich in nPro über Arbeitspreise (€/kWh), Leistungspreise (€/kW) und Grundpreise (€/Jahr) abbilden – also genau so, wie Wärmelieferverträge in der Praxis aufgebaut sind.

Restwerte und Ersatzinvestitionen

Selten passt die technische Lebensdauer einer Anlage exakt zur Projektlaufzeit. nPro bildet gemäß VDI 2067 beide Fälle ab:

• Restwerte: Ist die technische Lebensdauer länger als der Betrachtungszeitraum – etwa bei einem Wärmenetz mit 40 Jahren Lebensdauer und 20 Jahren Projektlaufzeit –, verbleibt am Ende ein Restwert, der als Erlös im letzten Jahr angesetzt und abgezinst wird. Die Wertabschreibung erfolgt linear über die Lebensdauer.
• Ersatzinvestitionen: Ist die Lebensdauer kürzer als der Betrachtungszeitraum, muss die Anlage während der Projektlaufzeit ersetzt werden. Die Ersatzinvestition wird zum entsprechenden Zeitpunkt eingebucht und abgezinst.

Gerade in Quartiersprojekten macht das einen erheblichen Unterschied: Das langlebige Wärmenetz und die kurzlebige Batterie werden sonst mit demselben Maß gemessen.

Welche Zahlungen berücksichtigt werden

Zu den einmalig anfallenden Zahlungen zählen:

• Investitionen der Anlagen (Gebäudeenergiesystem, Wärmenetz und Energiezentrale),
• Förderungen auf Investitionen (separat ausgewiesen, nicht Teil der Investitionen), sowie
• Pauschalkosten (separat ausgewiesen, nicht Teil der Investitionen).

Zudem gehen jährlich anfallende Kosten in die Berechnung ein:

• Energiekosten (z.B. für Strombezug),
• Wartungskosten (angegeben als Prozentsatz der Investition),
• Erlöse (z.B. für Stromeinspeisung oder für die Deckung des Wärmebedarfs),
• CO₂-Kosten, sowie
• sonstige Betriebskosten (z.B. Versicherungen und Verwaltungskosten).

Diese Zahlungen werden im Fall-Beispiel nominal konstant angesetzt, es wird also keine Preissteigerung unterstellt. Für die Kapitalwertrechnung werden sie auf den Zeitpunkt Jahr 0 abgezinst. Jährliche Preisänderungsraten – etwa für Strom, Brennstoffe, CO₂-Preis oder Wärmeerlöse – lassen sich in den allgemeinen ökonomischen Einstellungen hinterlegen und beeinflussen das Ergebnis über 20 Jahre erheblich; ein Vergleich mit und ohne Preissteigerung lohnt sich daher in fast jedem Projekt.

Als Ergebnis liefert die Berechnung verschiedene ökonomische Kennzahlen, mit denen sich die Rentabilität eines Projekts beurteilen lässt:

• Kapitalwert: Summe aller auf Jahr 0 abgezinsten Zahlungsströme über den Betrachtungshorizont.
• Interner Zinsfuß: der kalkulatorische Zinssatz, bei dem der Kapitalwert gerade null wird.
• Amortisationszeit: der Zeitpunkt, zu dem der kumulierte, abgezinste Zahlungsstrom erstmals positiv wird – also eine dynamische Amortisation, die den Zinseffekt einschließt. Bleibt der Kapitalwert über die gesamte Laufzeit negativ, wie im nachfolgenden Fall-Beispiel, existiert kein solcher Zeitpunkt und es wird keine Amortisationszeit ausgewiesen.

Beschreibung des Beispielquartiers

Die Wirtschaftlichkeitsberechnung wird im Folgenden anhand eines Beispielquartiers erläutert. Zunächst werden das Quartier und die Eingangsgrößen der Simulation beschrieben. Sämtliche Werte sind frei wählbare Annahmen dieses Fall-Beispiels.

Projektdaten

In den Projektdaten werden der kalkulatorische Zinssatz (hier 5 %) und der Betrachtungshorizont (hier 20 Jahre) festgelegt. Als Versorgungslösung dient ein kaltes Nahwärmenetz (Anergienetz) mit dezentralen Wärmepumpen, über das auch die Kältebereitstellung erfolgt. Berücksichtigt wird eine Förderung auf die Investitionen für die Gebäudeenergiesysteme, das Wärmenetz und die Anlagen in der Energiezentrale.

Daneben lassen sich sonstige Kosten definieren – für Positionen, die an keiner anderen Stelle der Berechnung erfasst werden können. Möglich sind sowohl sonstige Investitionskosten (einmalig, z.B. Grundstücks- oder Anschlusskosten) als auch sonstige Betriebskosten (jährlich, z.B. Versicherungen).

Gebäude

Im Quartier werden drei unterschiedliche Gebäudeenergiesysteme betrachtet:

• Netz-Wärmepumpe: Sie nutzt das Wärmenetz als Wärmequelle und deckt die Wärmebedarfe, die wegen zu geringer Netztemperaturen nicht direkt aus dem Wärmenetz gedeckt werden können. Der Kältebedarf wird über passive Kühlung mit dem Wärmenetz gedeckt.
• Erdwärmepumpe: Sie deckt die Wärmebedarfe des Gebäudes; die Spitzenlast übernimmt ein Heizstab. Abwärme aus der Kältebereitstellung wird nicht ins Wärmenetz eingespeist.
• Luftwärmepumpe: Sie deckt die Wärmebedarfe des Gebäudes, die Spitzenlast wiederum ein Heizstab. Der Kältebedarf wird vollständig durch eine luftgekühlte Kältemaschine mit Rückkühlwerk gedeckt, deren Abwärme an die Außenluft abgegeben wird.

Wärmenetz

Das Wärmenetz für die 30 Gebäude ist 800 m lang. Die Kosten werden vereinfacht pauschal mit 500 €/m für das Rohrnetz und 400 €/m für die Erdarbeiten angesetzt. Die Rohrnetzkosten fallen dabei pro Trassenmeter doppelt an (Vor- und Rücklauf), die Erdarbeiten nur einmal. Angenommen werden eine technische Lebensdauer von 40 Jahren und Wartungskosten von 1 % der Investition. Da der Betrachtungshorizont nur 20 Jahre beträgt, weist das Wärmenetz an dessen Ende noch einen Restwert auf, der linear abgeschrieben und abgezinst wird.

Energiezentrale

In der Energiezentrale sind alle Technologien zusammengefasst, die nicht in den Gebäuden installiert werden – hier Photovoltaik, Biomasse-Kessel, Solarthermie, Luftwärmepumpen, Geothermie-Sonden und Batterien. Für die Solarthermie wird eine Mindestfläche von 400 m² vorgegeben, für die Batterie eine minimale Speicherkapazität von 50 kWh. Der Arbeitspreis für Strom beträgt 0,3 €/kWh, der für Biomasse 0,045 €/kWh; die CO₂-Bepreisung liegt bei 100 €/t_CO2.

Wirtschaftlichkeit: Auswertung

Nachfolgend werden die Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnung für das Quartiersprojekt im Detail erläutert.

Jahresbilanz

Die Jahresbilanz gibt einen ersten Überblick, indem sie alle Kosten, Zuschüsse und Erlöse auf ein Jahr bezieht. Investitionen, Pauschalkosten und Förderungen erscheinen darin als Annuitäten. Das ist eine annualisierte Darstellung und keine reale Zahlung: Tatsächlich fallen diese Beträge im Jahr 0 einmalig an; die Annuität verteilt sie rechnerisch gleichmäßig über den Betrachtungshorizont, damit sie mit den laufenden Kosten und Erlösen vergleichbar werden.

Die Bilanz enthält die Annuitäten der Anfangsinvestitionen aller Erzeugungs- und Speichertechnologien einschließlich benutzerdefinierter Zusatzinvestitionen, die Energiekosten (Strom, Erdgas, Biomasse und weitere), die gesamten Wartungs- und Betriebskosten sowie die Kosten der CO₂-Bepreisung als Produkt aus CO₂-Preis und Emissionen.

Auf der Erlösseite stehen die Einnahmen aus der Energieeinspeisung – beispielsweise in das Stromnetz – und aus der Deckung der Energiebedarfe für Wärme, Kälte, Strom und Wasserstoff. Der Saldo aller jährlichen Kosten und Erlöse schließt die Bilanz ab: Ein positiver Wert bedeutet einen jährlichen Überschuss, ein negativer einen Fehlbetrag. Ergänzend lassen sich weitere Kennzahlen ausweisen, etwa der Überschuss pro Nutzfläche.

Im Fall-Beispiel ist der Saldo mit rund -690.000 €/a deutlich negativ. Die beiden größten Posten sind die Annuitäten der Investitionen und der Pauschalkosten – ein typisches Bild für Quartiersprojekte, bei denen umfangreiche Sanierungsmaßnahmen Teil des Konzepts sind.

Kapitalwert

Die Kapitalwerttabelle zeigt die Zahlungsein- und -ausgänge über den gesamten Projektzeitraum, getrennt nach Investitionen, jährlichen Kosten und jährlichen Erlösen.

Alle Werte der Tabelle sind bereits auf den Zeitpunkt Jahr 0 abgezinst. Die nominal konstanten Jahreskosten von 134.854 €/a erscheinen daher im Jahr 1 als 128.432 € (134.854 € / 1,05), im Jahr 2 als 122.316 € und so fort; die Erlöse entsprechend. Der Kapitalwert ist deshalb die einfache Kumulation der Jahressummen und erfordert keine weitere Abzinsung.

Zu Projektbeginn im Jahr 0 fallen Investitionen und Pauschalkosten an, denen die Förderung gegengerechnet wird: 8.164.210 € + 3.673.894 € - 662.421 € = 11.175.683 €.

Während der Laufzeit erscheinen zwei weitere Investitionen: Die -23.387 € im Jahr 11 sind die abgezinste Ersatzinvestition für die Batterie, die vor Ablauf des Betrachtungshorizonts ihre technische Lebensdauer erreicht; die -6.682 € im Jahr 16 entsprechend die Ersatzinvestition für die Luftwärmepumpe der Gebäudeenergiesysteme mit einer Lebensdauer von 15 Jahren.

Der positive Betrag von 1.406.112 € im Jahr 20 beschreibt die Restwerte all jener Anlagen, die am Ende des Betrachtungshorizonts ihre technische Lebensdauer noch nicht erreicht haben – etwa das Wärmenetz mit 40 Jahren Lebensdauer. Angenommen wird eine lineare Abschreibung.

Beide Auswertungen lassen sich ineinander überführen: Mit dem Annuitätenfaktor für 5 % und 20 Jahre (0,0802) ergibt der Kapitalwert von -8.594.878 € genau den Jahresüberschuss von rund -689.675 €/a aus der Jahresbilanz. Kapitalwert und Jahresbilanz beschreiben also dasselbe Ergebnis, einmal als Gesamtsumme und einmal als Jahreswert.

Kosten- und Erlösaufstellung

Im Folgenden werden die einzelnen Positionen der Kosten- und Erlösaufstellung im Detail beschrieben.

Investitionen

Die Kategorie Gebäudeenergiesysteme umfasst die Investitionen für alle Erzeugungs- und Speicheranlagen in den Gebäuden, dargestellt als Annuitäten; im Fall-Beispiel sind das 1.137.960 € mit einer Annuität von 86.552 €/a. Ersatzinvestitionen sind darin berücksichtigt.

Separat ausgewiesen werden Sanierungsmaßnahmen wie eine zusätzliche Dämmung der Gebäudehülle oder Maßnahmen zur Absenkung der Vorlauftemperatur – hier 4.400.000 € mit einer Annuität von 273.227 €/a. Die Wärmenetzkosten umfassen Trassen- und Rohrkosten und sind vom Benutzer frei definierbar. Weitere Investitionen fallen für alle Anlagen in der Energiezentrale an (1.006.250 €, Annuität 71.864 €/a). Die benutzerdefinierten sonstigen Investitionen betragen 500.000 € mit einer Annuität von 40.121 €/a; zu deren Annualisierung wird die Projektlaufzeit herangezogen.

Insgesamt belaufen sich die Investitionen auf 8.164.210 € mit einer Gesamtannuität von 544.700 €/a.

Energiekosten

Die folgende Tabelle zeigt, wie sich die Energiekosten aufteilen. Die Stromkosten beziehen sich auf den Strombezug der Energiezentrale. Der Betriebsstrom für Wärmepumpen oder Heizstäbe in den Gebäuden und der Pumpstrom für das Wärmenetz werden in diesem Fall-Beispiel nicht über die Energiezentrale, sondern direkt aus dem Stromnetz bezogen und deshalb mit einem eigenen Arbeitspreis angesetzt. Ergänzt wird die Aufstellung um weitere Energieträger, hier Biomasse.

Wartungskosten

Die Wartungskosten werden für die drei Systemteile Gebäudeenergiesysteme, Wärmenetz und Energiezentrale getrennt ausgewiesen. Hinzu kommen weitere jährliche Betriebskosten wie Grundpreise oder Versicherungen.

CO₂-Kosten

Die CO₂-Kosten ergeben sich aus den jährlichen äquivalenten Emissionen und dem hinterlegten CO₂-Preis.

Pauschalkosten

Die Pauschalkosten bilden jene Positionen ab, die sich in der Praxis als Prozentsatz der Projektkosten kalkulieren lassen: Planungsleistungen etwa durch Ingenieurbüros, Lieferung, Montage und Inbetriebnahme der Anlagentechnik, Mess-, Steuer- und Regelungstechnik sowie ein Zuschlag für unvorhergesehene Mehrkosten. Alle Prozentsätze sind frei definierbar.

Als Bezugsgröße dient in diesem Fall-Beispiel die gesamte Investitionssumme einschließlich der Sanierungsmaßnahmen. Bei zusammen 45 % ergeben sich daraus Pauschalkosten von 3.673.894 € mit einer Annuität von 294.803 €/a – ein Betrag in der Größenordnung der Sanierung selbst und damit ein wesentlicher Hebel für das Gesamtergebnis.

Erlöse

Die Erlöse setzen sich im Fall-Beispiel aus der Stromeinspeisung sowie den Erlösen für den gedeckten Wärme- und Kältebedarf in den Gebäuden zusammen. Bei Wärme und Kälte wird jeweils zwischen Arbeits-, Leistungs- und Grundpreis unterschieden – so lassen sich reale Preisblätter nachbilden. Die konkreten Konditionen werden in der Praxis zwischen Betreiber und Kunden vereinbart. In Summe ergeben sich 231.527 €/a.

Förderung

Förderungen lassen sich als pauschale Fördersätze auf drei Investitionsblöcke ansetzen: auf die Gebäudeenergiesysteme (z.B. Wärmepumpen oder Kältemaschinen), auf das Wärmenetz (Rohre und Installationskosten) sowie auf die Anlagen in der Energiezentrale (z.B. Großwärmepumpe oder Wärmespeicher). Die Förderung mindert die Investition im Jahr 0; für die Jahresbilanz wird sie wie die Investitionen annualisiert.

Investitionen: Detaillierte Auflistung

Die folgenden Abschnitte zeigen die Investitionen der drei Systemteile im Detail, jeweils mit Anzahl der Komponenten, Investitionskosten, jährlicher Annuität und jährlichen Wartungskosten. Abgeschrieben wird über die benutzerdefinierte technische Lebensdauer; die Annuität ergibt sich aus Investitionssumme, Abschreibungsdauer und kalkulatorischem Zinssatz. Die Wartungskosten werden gemäß VDI 2067 als Prozentsatz der Investitionskosten angesetzt.

Investitionen in den Gebäuden

Die Tabelle listet alle Komponenten der Gebäudeenergiesysteme auf. Im Beispiel werden 26 Netz-Wärmepumpen verbaut, von denen jede einen eigenen Anschluss an das Wärmenetz benötigt.

Investitionen in das Wärmenetz

Investitions- und Wartungskosten des Wärmenetzes ergeben sich aus dessen Länge.

Investitionen in die Energiezentrale

Die Tabelle enthält alle Komponenten der Energiezentrale mit den zugehörigen Investitionen und Wartungskosten.

Vom Ergebnis zur wirtschaftlichen Variante

Das Fall-Beispiel schließt mit einem negativen Kapitalwert – ein Ergebnis, das in frühen Projektphasen völlig normal ist. Entscheidend ist, was daraus folgt: Die detaillierte Aufstellung zeigt genau, welche Positionen das Ergebnis treiben, und damit auch, an welchen Stellschrauben sich drehen lässt. Im vorliegenden Fall sind die Annuitäten der Investitionen und der Pauschalkosten mit zusammen rund 840.000 €/a der dominierende Block.

Typische Ansatzpunkte für eine Überarbeitung sind:

• Umfang der Sanierungsmaßnahmen: Mit 4,4 Mio. € stellen sie den größten Einzelposten dar. Ein geringerer Sanierungsumfang senkt die Investitionen unmittelbar, erhöht aber die Wärmebedarfe – ein Zielkonflikt, den nur die erneute Rechnung auflöst.
• Erlösmodell: Arbeits-, Leistungs- und Grundpreise für Wärme und Kälte lassen sich getrennt variieren, um ein tragfähiges Preisblatt zu finden.
• Förderquoten: Höhere Fördersätze, etwa für das Wärmenetz, wirken direkt auf die Investition im Jahr 0.
• Auslegung der Energiezentrale: Über das Optimierungsmodell lassen sich Technologien und Kapazitäten kostenoptimal neu bestimmen, statt eine Konfiguration vorzugeben.
• Netzkonzept: Trassenlänge und Anschlussdichte bestimmen die Netzkosten je gelieferter Kilowattstunde maßgeblich mit (s. Lineare Wärmedichte).
• Kalkulatorischer Zinssatz und Betrachtungshorizont: Beide beeinflussen die Annuitäten erheblich und sollten zur Finanzierungssituation des Projekts passen.
• Preisentwicklung: Im Fall-Beispiel sind konstante Preise unterstellt. Werden für Strom, Brennstoffe, CO₂ und Wärmeerlöse Preisänderungsraten hinterlegt, verschiebt sich das Ergebnis über 20 Jahre deutlich – meist zugunsten der Systeme mit geringem Brennstoffbedarf.

Weil jede dieser Änderungen in nPro nur eine erneute Berechnung erfordert, lassen sich Varianten in kurzer Folge durchrechnen und direkt gegenüberstellen – bis eine Konfiguration gefunden ist, die technisch und wirtschaftlich trägt.