Wärmequellen und Technologien für klimaneutrale Fernwärme

Fernwärme soll in den kommenden Jahren einen wichtigen Beitrag zu einer klimaneutralen Wärmeversorgung in Deutschland leisten. Um diese Erwartungen zu erfüllen, stehen Betreibern verschiedene Wärmequellen zur Verfügung, die je nach lokaler Verfügbarkeit zum Einsatz kommen.

In ihrer kommunalen Wärmeplanung werden Städte und Kreise in den nächsten Jahren das Potenzial der unterschiedlichen Wärmequellen für die grüne Fernwärme ermitteln. Bereits bestehende Wärmenetze müssen dekarbonisiert und auf klimaneutrale Systeme umgestellt werden.

In diesem Beitrag zeige ich die Bedeutung der Wärmenetze, ihren Weg zur Dekarbonisierung und welche Wärmequellen für die klimaneutrale Fernwärme zur Verfügung stehen.

Wachsende Bedeutung der Fernwärme in der Wärmeversorgung

Die Fernwärme spielt in Deutschland in der Wärmeversorgung bisher nur eine untergeordnete Rolle. Das kann sich mit der Bestrebung der Dekarbonisierung der Wärmeversorgung deutlich ändern. Sie hat das Potenzial, viele Gebäude gleichzeitig mit emissionsfreier Wärme zu versorgen. 

Nur 15 Prozent der Heizungssysteme in Deutschland nutzen 2023 die Fernwärme als Energieträger, vor allem im Norden und Osten, so eine Untersuchung des bdew. 

Bislang wird Fernwärme überwiegend als Auskopplung aus Kraftwerken mit fossilen Energieträgern bereitgestellt. Nur 19 Prozent der Energie in Fernwärmenetzen stammt aus erneuerbaren Energien. 

Doch Fernwärme bietet durch Struktur ein großes Potenzial zur Reduzierung der CO2-Emissionen in der Wärmeversorgung.

Fernwärme ist die Versorgung von Gebäuden mit Raumwärme und häufig auch Warmwasser, die durch überwiegend erdverlegte, isolierte Rohrleitungen direkt in die angeschlossenen Wohngebäude geleitet wird. Dies findet aus wirtschaftlichen Gründen üblicherweise in einem städtischen oder urbanen Umfeld statt. Bei der Versorgung kleinerer Siedlungen oder Quartiere spricht man meistens von Nahwärme. Eine genaue Abgrenzung existiert jedoch nicht.

Die Temperatur in Wärmenetzen liegt bisher bei rund 70 bis 90 Grad Celsius. Nur mit diesen hohen Temperaturen kommt ausreichend Wärme für Heizung und Warmwasser in die Wohnungen. Die Begründung und der gleichzeitige Nachteil dieses Systems liegen in den Wärmeverlusten in den Rohrleitungen. 

Die Entwicklung der Zukunft führt zu immer geringeren Temperaturen in den modernen Wärmenetzen. Diese können günstiger Wärme speichern und einen breiten Mix an Technologien und Wärmequellen nutzen.

Kommunale Wärmeplanung soll Dekarbonisierung der Wärmenetze voranbringen

Im Zuge der Abkehr von fossilen Brennstoffen für Klimaschutz und mehr Unabhängigkeit in der Energieversorgung sollen Wärmenetze in Deutschland eine größere Rolle einnehmen. 

Hier setzt das neue „Gesetz für die Wärmeplanung und zur Dekarbonisierung der Wärmenetze“ an, das am 01.01.2024 in Kraft getreten ist. Kommunen sollen mit der Wärmeplanung vor Ort den besten und kosteneffizientesten Weg zu einer klimafreundlichen und fortschrittlichen Wärmeversorgung ermitteln.

Aus der Wärmeplanung soll ersichtlich werden, welche Quellen für Wärmenetze erschlossen werden können und wo ein Anschluss an das Netz wirtschaftlich sinnvoll ist. Auf diesem Weg soll die Dekarbonisierung der Wärmeversorgung große Schritte nach vorne machen.

Ziel ist es, den Anteil der Wärme aus erneuerbaren Energien zu steigern. Die Nutzung der Abwärme, z. B. aus Rechenzentren und Industrien, soll bis 2030 bei 50 % liegen. Die Wärmenetze sollen für eine kosteneffiziente, klimaneutrale Wärmeversorgung ausgebaut werden. 

Das Gebäudeenergiegesetz (GEG) sieht Pflichten zur Nutzung von mindestens 65 Prozent erneuerbarer Energien für die Wärmeversorgung vor. Die kommunale Wärmeplanung gibt dabei den Zeitpunkt seiner Umsetzung vor, denn eine Variante der Erfüllung dieser Anforderung ist der Anschluss an ein Wärmenetz.

Pfad zur Dekarbonisierung der Fernwärme

Wie der Name des Gesetzes aussagt, gehört zum Wärmeplanungsgesetz auch die Dekarbonisierung der Wärmenetze. Die Vorschriften bezüglich der Wärmenetze sorgen dafür, dass sie zunehmend aus erneuerbaren Energien und unvermeidbarer Abwärme gespeist werden.  

Daraus ergibt sich ein zeitlicher Ablauf zur Dekarbonisierung der Wärmenetze:

• Ab dem 01.03.2025 müssen neue Wärmenetze mindestens 65 Prozent Wärme aus erneuerbaren Energien, unvermeidbarer Abwärme oder eine Kombination von beidem liefern (§ 30).
• Ab 01.01.2030 muss der Anteil erneuerbarer Energien oder unvermeidbarer Abwärme in bestehenden Wärmenetzen mindestens 30 Prozent betragen.
• Ab dem 01.01.2040 soll dieser Anteil auf mindestens 80 Prozent gestiegen sein (§ 29). 
• Im letzten Schritt müssen Wärmenetze bis zum 31.12.2044 vollständig mit Wärme aus erneuerbaren Energien oder unvermeidbarer Abwärme gespeist werden. Der Anteil der Wärme aus Biomasse ist in Netzen mit einer Länge von mehr als 50 km auf maximal 15 Prozent begrenzt (§ 31) 

Betreiber eines Wärmenetzes müssen bis 31.12.2026 einen eigenen Fahrplan für den Ausbau und die Dekarbonisierung ihres Wärmenetzes erstellen, vorlegen und auf ihrer Website veröffentlichen (§ 32).

Wärmequellen für klimaneutrale Fernwärme

Wärmenetze gelten, neben Wärmepumpen, als die zweite große Säule der klimaneutralen Wärmeversorgung. Damit sie in Nah- und Fernwärmenetzen klimaneutrale Wärme liefern können, müssen eine Reihe von unterschiedlichen, bislang nicht genutzten Wärmequellen und Technologien zum Einsatz kommen. Die Technologie ist oft nicht neu, sie ist in vielen anderen europäischen Ländern weiter verbreitet als in Deutschland.

Eine Wärmeversorgung über Nah- und Fernwärme ist ein effizienter und kostengünstiger Weg für den Ersatz fossiler Brennstoffe.

Power-to-Heat

Durch den zunehmenden Ausbau von Photovoltaik- und Windenergie-Anlagen, kommt es zunehmend zu Zeiten mit einem Überschuss an elektrischer Energie. Eine der möglichen Nutzungen dieser Energie ist die Umwandlung in Wärme mit Power-to-Heat-Anlagen. Diese bestehen aus Elektrodenkesseln, die ähnlich wie Wasserkocher im Haushalt funktionieren. Bei der Umwandlung in Wärme entstehen nur geringe Energieverluste.

Alternativ zum überschüssigen Strom aus dem Netz kann auch Strom aus lokalen Anlagen oder aus eigens errichteten Anlagen für diese Form der Wärmeerzeugung zum Einsatz kommen.

Da die Stromerzeugung nicht immer mit dem Bedarf an Wärme verbunden ist, ist die Kombination mit einem Wärmespeicher sinnvoll. Wärme aus dem Speicher wird dann nach Bedarf in das Fernwärmenetz abgegeben.

So müssen Wind- und Solaranlagen in Zeiten der Strom-Überproduktion nicht mehr abgeregelt werden – ein großer Vorteil dieser Technologie. Power-to-Heat-Anlagen tragen somit zur Stabilisierung der Stromnetze bei und ihre Betreiber haben geringe Betriebskosten. Im Idealfall, bei negativen Strompreisen, können sie sogar Geld verdienen.

Aus der Praxis:

In Hamburg haben die Energiewerke auf dem Gelände des Heizkraftwerks Wedel in Kooperation mit dem Übertragungsnetzbetreiber 50Hertz eine Power-to-Heat-Anlage errichtet, die Strom aus Windenergie in grüne Fernwärme umwandelt.

Die größte Anlage Europas mit 120 MW Leistung hat Vattenfall in Berlin-Spandau errichtet. Bei einem Überschuss an erneuerbarem Strom erzeugt sie daraus Fernwärme für bis zu 30.000 Haushalte.

Geothermie

Das große Potenzial der Erdwärme (Geothermie) zur Wärmeversorgung wird bisher kaum genutzt. Experten gehen davon aus, dass die Geothermie 25 Prozent des Wärmebedarfs zu bezahlbaren Preisen decken kann.

Bei der tiefen Geothermie wird heißes Thermalwasser aus einer Tiefe zwischen 400 und mehreren tausend Metern an die Oberfläche gepumpt. Über einen Wärmetauscher wird Wasser für das Fernwärmenetz erwärmt. Das abgekühlte Thermalwasser wird zurück in die Tiefe geleitet, sodass ein Kreislauf entsteht.

Alternativ wird bei der oberflächennahen Geothermie die Wärme aus einer Tiefe von bis zu 400 Metern genutzt. Da die Temperaturen in der Regel für Heizung und Warmwasser nicht ausreichen, benötigen die Gebäude dezentrale Wärmepumpen, um das Temperaturniveau entsprechend anzuheben.

Ausblick:

Eine kostenintensive und aufwändige Erschließung steht der Nutzung von geothermischer Energie oft entgegen. Demgegenüber steht eine unerschöpflich nutzbare und klimafreundliche Energiequelle für Wärme- und Kälteanwendungen. 

Hier forscht das Fraunhofer IPT im Projekt »LaserJetDrilling« an einem neuartigen Bohrkopf, der mit Hochleistungslasern auch hartes Gestein sprengt und die teuren konventionellen Bohrköpfe ersetzen könnte. Das Verfahren soll den Verschleiß des Bohrwerkzeugs auf ein Minimum reduzieren – bei gleichzeitig schnellerem Bohrfortschritt. So würden die Kosten für Geothermiebohrungen in großer Tiefe deutlich sinken und damit eine flächendeckende Erdwärmeversorgung in Deutschland fördern.  

Aus der Praxis:

Die Stadtwerke München betreiben sechs Anlagen mit Geothermie für die Fernwärme, darunter die größte Anlage in Deutschland.

In Potsdam soll ein innerstädtisches Quartier mit Wohnungen sowie Gewerbe- und Dienstleistungsanteil mit Erdwärme versorgt werden.

Berlin hat drei Standorte für Erkundungsbohrungen zur Erschließung der Erdwärme festgelegt, diese liegen am ehemaligen Flughafen Tegel, am Fernheizwerk Neukölln und am Campus Berlin-Buch.

Abwärme aus Industrie und Rechenzentren

Eine noch relativ junge Energiequelle für Nah- und Fernwärme ist die Abwärme aus der Industrie und aus Rechenzentren. Mit dem neuen Energieeffizienzgesetz, das seit dem Jahresbeginn 2024 gültig ist, soll diese Energiequelle stärker berücksichtigt werden.

Dieses Gesetz verpflichtet Unternehmen mit einem jährlichen Gesamtendenergieverbrauch von mehr als 2,5 Gigawattstunden (GWh), Abwärme nach dem Stand der Technik zu vermeiden und, auch durch Dritte, wiederzuverwenden. Ferner gelten zeitlich gestaffelte Anforderungen für Betreiber der Rechenzentren für die Nutzung der Abwärme.

Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI hat 2021 eine Untersuchung veröffentlicht, nach der mehr als 35 Prozent der industriellen Abwärme maximal in einem Abstand von zehn Kilometer zu bestehenden Fernwärmenetzen liegen. Eine Einspeisung in diese Netze wäre demnach möglich. In ganz Europa könnten etwa acht Prozent der aktuellen Nachfrage an Fernwärme durch industrielle Abwärme gedeckt werden.

Aus der Praxis:

Ein bekanntes Beispiel aus Hamburg ist die Nutzung der Abwärme des Stahlwerks Aurubis, die ab der Heizperiode 2024/25 rund 20.000 Haushalte mit Wärme versorgen soll. Die Wärme stammt aus einer sogenannten Kontaktanlage, einem Teil der Kuperraffination, in der in mehreren Schritten Schwefelsäure hergestellt wird. Das Werk liefert bereits seit 2018 Wärme an die östliche Hafencity.

In Frankfurt, dem wichtigsten europäischen Internet-Knoten mit den meisten Rechenzentren, entstehen mehrere Projekte mit Nutzung der Abwärme aus Rechenzentren. Ein Projekt trägt einen wichtigen Teil der Wärmeversorgung für ein gegenüberliegendes Wohngebiet und weitere Rechenzentren der Mainova sind in Planung oder kurz vor Fertigstellung. 

Abwasser

Eine weitere Wärmequelle, die ohnehin vorhanden ist, ist das Abwasser. Es hat eine ganzjährig relativ konstante Temperatur zwischen 12 und 22 Grad und bietet sich damit als ideale Wärmequelle für eine große Wärmepumpe oder ein kaltes Nahwärmenetz an. Die Wärme wird über Wärmetauscher aus den Abwasserleitungen oder dem Klärwerk entnommen. Eine Wärmepumpe erhöht das benötigte Temperaturniveau für das Wärmenetz.

Aus der Praxis:

In einem Hamburger Klärwerk wird eine Abwasser-Großwärmepumpe gebaut, die ab 2025 klimafreundliche Fernwärme für bis zu 39.000 Haushalte liefern soll. Im Vergleich zur Wärme aus einem Kohlekraftwerk werden dabei 66.000 Tonnen CO2 pro Jahr eingespart.

Die Berliner Wasserbetriebe haben im Rahmen eines Forschungsprojektes mit der Hilfe von Simulationen einen Abwasserwärmeatlas erstellt. Darin ist ersichtlich, ob an einem Standort die Nutzung von Abwärme zum Heizen und Kühlen prinzipiell möglich ist. 
Der Lübecker Bauverein hat gemeinsam mit den Entsorgungsbetrieben eine Wärmeversorgung mit Wärme aus Abwasser für ein Wohnquartier mit 200 Wohnungen realisiert.

Wärme aus Seen und Flüssen 

Wenn es möglich ist, Grund- oder Abwasser für die Wärmeversorgung zu nutzen, dann können wir doch auch die Wärme aus Flüssen und Seen nutzen. Temperaturen von zwei bis fünf Grad im Winter reichen aus, um Wärme für das Netz zu erzeugen.

Im Blog der Spezialisten von Goodmen Energy wird eine Energiespundwand beschrieben. Sie wird am Flußufer oder am Hafenbecken verbaut und hat auf der Landseite einen Wärmetauscher, der die aufgenommene Energie an eine Wärmepumpe abgibt.

Aus der Praxis:

In Mannheim wird seit Herbst 2023 das Flusswasser genutzt, um Wärme für rund 3.500 Haushalte zu erzeugen. Die Wärmepumpe hat eine thermische Leistung von 20 MW und eine elektrische Leistung von 7 MW. Nach Schätzungen könnten in Mannheim aus Rhein und Neckar 500 MW thermisch entzogen werden, um rund 50.000 Haushalte mit Wärme zu versorgen.

Eine weitere Flusswärmepumpe am Rhein soll in Köln gebaut werden. Die Leistung soll 150 MW betragen und bis zu 50.000 Haushalte mit Wärme versorgen. Für den Wärmetauscher sind nur 0,5 Prozent des Rheinwassers erforderlich.

Solarthermie

Was in Dänemark schon lange weit verbreitet ist, kommt in Deutschland zunehmend zum Einsatz: große solarthermische Anlagen für die Einspeisung in Wärmenetze. Die speziellen Flach- und Vakuumröhrenkollektoren sind größer und ermöglichen Temperaturen bis 100 Grad Celsius. Limitierender Faktor für die Größe der Anlagen sind die zur Verfügung stehenden Flächen und Grundstückspreise. 

Große Anlagen sind wesentlich wirtschaftlicher als die kleinen Anlagen auf den Dächern der Einfamilienhäuser. Sie erzeugen Wärme um den Faktor drei bis vier günstiger als dezentral auf dem Dach.

Aus der Praxis:

Die Stadtwerke Ludwigsburg-Kornwestheim betreiben seit 2020 eine der größten thermischen Solaranlagen in Deutschland. Auf einer Fläche von 14.800 Quadratmeter erzeugen mehr als 1.000 Kollektoren Wärme für die lokalen Haushalte. Die Anlage hat  2022 6.700 Megawattstunden (MWh) Wärme erzeugt. Ein Speicher mit fast zwei Millionen Litern Fassungsvermögen ermöglicht eine Zwischenspeicherung.

Noch größer ist die Anlage der Stadtwerke Greifswald mit 3.792 Kollektoren auf einer Fläche von 18.000 Quadratmetern. Sie erzeugt seit 2022 8.000 Megawattstunden CO2-neutrale Wärme. Sie wird ergänzt durch einen Elektroheizkessel und ein Blockheizkraftwerk.

In ganz Deutschland waren Mitte 2023 52 solare Wärmenetze in Betrieb. Weitere acht Anlagen waren zu diesem Zeitpunkt im Bau. 

Bioenergie

Biomasse hat bislang mit 84 Prozent den größten Anteil an erneuerbarer Wärme. Diese wird vor allem durch Verbrennen von Holzhackschnitzeln aus Holzabfällen, Grünschnitt oder Altholz erzeugt. Biogas aus der Vergärung organischer oder pflanzlicher Reststoffe kann ebenfalls einen wichtigen Beitrag zur Wärmeversorgung leisten. Für beide Formen der Bioenergie kommen in der Regel Blockheizkraftwerke zum Einsatz, die Strom und Wärme erzeugen können.

Grundstoffe für Biomasse und Biogas sind in der Regel im ländlichen Raum ausreichend verfügbar, jedoch nicht unbegrenzt. Bioenergie ist speicherbar und kann nach Bedarf in ein Wärmenetz eingespeist werden. 

Laut BEE-Wärmeszenario 2045 werden sich der Einsatz der Holzverfeuerung und die Nutzung von Biogas für Nah- und Fernwärme bis 2045 verdoppeln. Biogas spielt durch den Einsatz hochflexibler KWK-Anlagen eine wichtige Rolle für den Ausgleich schwankender Stromerzeugung aus Wind- und Solarenergie.

Aus der Praxis:

Ein interessantes Projekt mit Bioenergie betreibt die Kommune Malchin in Mecklenburg-Vorpommern. Sie nutzen u. a. Pflanzen aus wiedervernässten Moorböden (Paludi-Biomasse) in einem Biomasseheizkessel für die kommunale Wärmeversorgung. Damit verbinden sie Klimaschutz mit dem Schutz der Moorböden.

Das Bioenergiedorf Asche in der Nähe von Göttingen versorgt mit einer Biogasanlage und einem Holzhackschnitzelkessel 63 Haushalte, 75 Prozent der Einwohner. Zum Einsatz kommen Gülle, Mist, Maissilage, Grassilage und Holzhackschnitzel.

Technologien für klimaneutrale Wärmeversorgung

Großwärmepumpen

Großwärmepumpen sind mehr eine Technologie für die grüne Fernwärme als eine eigene Wärmequelle. Sie funktionieren ähnlich wie die kleinen Geschwister, die in einzelnen Häusern eingebaut werden. Die großen Unterschiede sind ihre hohe Leistung, hohe Temperaturen für die Einspeisung in Wärmenetze und die Möglichkeit zur Nutzung weiterer Wärmequellen, wie die bereits erwähnten Quellen Abwärme, Abwasser und Fluss- bzw. Seewasser.

Laut einer Fraunhofer-Studie gelten sie als ein Schlüssel zur Dekarbonisierung der urbanen Fernwärme. In einer weiteren Untersuchung haben sie ermittelt, dass Anfang 2023 in Deutschland mindestens 30 Wärmepumpenanlagen mit einer thermischen Leistung von über 500 kW in Betrieb waren. Weitere 30 Projekte mit einer Gesamtleistung von rund 600 MW waren zu diesem Zeitpunkt im Bau oder in Planung.

Das Forschungsprojekt Reallabor Großwärmepumpen in Fernwärmenetzen untersucht die Potenziale und Anwendungsbedingungen von Großwärmepumpen in Fernwärmenetzen. An den Standorten Stuttgart, Mannheim und Rosenheim helfen die geförderten Projekte Erfahrungen mit bisher nicht genutzten Wärmequellen zu sammeln. 

Kalte Nahwärme

Klassische Fernwärmenetze arbeiten mit Temperaturen von 70 bis über 100 Grad Celsius. Demgegenüber steht die sogenannte kalte Nahwärme mit Temperaturen von unter 30 Grad Celsius. Diese Netze werden auch als Anergie- oder Low-Ex-Netz bezeichnet. Sie nutzen unterschiedliche Wärmequellen, die bisher nicht nutzbar waren, wie die oberflächennahe Geothermie, Abwasser oder Abwärme. 

Durch die geringen Temperaturen entstehen keine Verluste und es können günstigere Kunststoffrohre verwendet werden. Gedämmte Rohrleitungen sind nicht mehr nötig, denn die ungedämmten Rohre können sogar die Wärme aus dem Erdreich aufnehmen. 

Diese Temperaturen sind jedoch nicht ausreichend für die Wärmeversorgung in den Gebäuden. Daher müssen dezentrale Wasser-Wasser-Wärmepumpen eingebaut werden, die über einen Wärmetauscher die Vorlauftemperatur auf die benötigte Höhe anheben. Durch die konstante Temperatur im Wärmenetz erreichen die dezentralen Wärmepumpen eine hohe Effizienz.

Fazit

Für eine klimaneutrale Fernwärmeversorgung stehen heute eine Reihe verschiedener Wärmequellen und Technologien zur Verfügung. Diese müssen nach den örtlichen Möglichkeiten genutzt und intelligent kombiniert werden. Die lokal zur Verfügung stehenden Wärmequellen sind das Ergebnis der Potenzialanalyse in der kommunalen Wärmeplanung. 

Das zeigt, wie wichtig das Instrument Wärmeplanung in Zukunft ist. Es unterstützt die Planungssicherheit für Gebäudeeigentümer und deckt neue Potenziale für Wärmenetze mit bisher nicht genutzten Technologien auf. Am Ende hilft es unserer Umwelt und damit jedem Einzelnen.

Welche Beispiele bisher nicht genutzter Technologien für Wärmenetze kennen Sie aus Ihrem Umfeld?