Wärmenetze – ein Abfallprodukt wird zur Klimahoffnung
Bisher haben Wärmenetze in Deutschland einen geringen Anteil an der Wärmeversorgung. In der Vergangenheit war Fernwärme eher ein Neben- oder Abfallprodukt der Stromerzeugung. Heute gilt sie als ein Hoffnungsträger für eine kostengünstige, klimaneutrale Wärmeversorgung. Besonders im urbanen Raum sollen Wärmenetze künftig einen größeren Anteil des Wärmebedarfs mit erneuerbaren Energien und Abwärme decken.
Dieser Beitrag liefert ein Spektrum an Informationen über Wärmenetze, von der Definition über die Veränderungen im Laufe der Zeit bis zur Umsetzung und Digitalisierung.
Inhalt
- Wie sind Wärmenetze definiert?
- Unterscheidung Gebäude-, Quartiers-, Nah- und Fernwärme
- Entwicklung der Wärmenetze
- Eignung der Siedlungen für Wärmenetze
- Transformation bestehender Wärmenetze
- Machbarkeitsstudien
- Förderung für Wärmenetze
- Betreibermodelle für Wärmenetze
- Bedeutung der Digitalisierung für Wärmenetze
- Fazit
Wie sind Wärmenetze definiert?
Bei Wärmenetzen spricht man auch von einer leitungsgebundenen Versorgung mit thermischer Energie. Ein solches Netz ist ein verzweigtes System mit gedämmten Rohrleitungen, die üblicherweise unterirdisch verlegt werden. Die Rohre transportieren die Heizenergie (Wärme, Kälte oder Dampf) von der Wärmequelle oder -erzeugung zu den angeschlossenen Verbrauchern.
In den Gebäuden befinden sich Übergabestationen, die die thermische Energie mit einem Wärmetauscher auf das gebäudeinterne System übertragen. So erwärmt die Heizenergie die Heizungen oder das Warmwasser der Verbraucher. In den Gebäuden ist (meistens) keine weitere Anlage zur Erzeugung von Wärme, Kälte oder Dampf erforderlich.
Wärmenetze unterscheiden sich im Wesentlichen durch den Massenstrom des Trägermediums und die Spreizung zwischen Vor- und Rücklauftemperatur.
Sie bestehen aus:
- Anlage(n) zur Wärmeerzeugung
- Wärmespeicher
- Wärmeverteilung
- Steuer-, Mess- und Regelungstechnik
- Wärmeübergabestationen
Unterscheidung Gebäude-, Quartiers-, Nah- und Fernwärme
Es gibt unterschiedliche Formen, Größen und Längen der Wärmenetze.
Die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) definiert die sogenannten Gebäudenetze als Netze zur ausschließlichen Versorgung mit Wärme- und Kälte von bis zu 16 Gebäuden und bis zu 100 Wohneinheiten.
Im Quartier versorgen sich mehrere Gebäude gemeinsam über ein Quartiersnetz mit Wärme aus einer zentralen Heizungsanlage. Sie sind in der Regel durch ihre räumliche und soziale Struktur von der Umgebung abgegrenzt.
Bei Nahwärme handelt es sich um eine überschaubare Anzahl an Abnehmern und Leitungen mit einer relativ kurzen Strecke. Dadurch können die Netze auf geringere Vorlauftemperaturen ausgelegt werden. Nahwärmenetze versorgen meistens die Gebäude einzelner Wohn- oder Gewerbegebiete.
Über Fernwärme werden in der Regel dicht bebaute Stadtteile mit Wärme versorgt. Die Wärme stammte bislang häufig aus der Abwärme von Kraftwerken, die mit Kohle oder Erdgas betrieben wurden. Fernwärme ist auch der allgemein genutzte Oberbegriff für die gewerbliche Lieferung von Wärme für Heizung und Warmwasser.
Eine genaue Abgrenzung der Begriffe ist nicht möglich, denn es existiert keine genaue Definition von Nah- und Fernwärme.
Entwicklung der Wärmenetze
Im Laufe der Zeit hat sich die Versorgung über Wärmenetze stark verändert.
1. Generation: Angefangen hat alles Ende des 19. Jahrhunderts mit dem Transport von Wasserdampf mit einer Temperatur von ca. 200° C. Die Rücklauftemperatur lag unter 80° C. Als Energiequelle kamen Öl und Kohle zum Einsatz.
2. Generation: Ab 1930 wurde heißes Wasser mit ca. 140° C in Leitungen transportiert. Die Rücklauftemperatur lag unter 70° C. Als Energiequelle kamen Öl, Kohle und Erdgas zum Einsatz.
3. Generation: Im nächsten Schritt entwickelte sich die Wärmeversorgung weiter. Ab 1980 wurden vorgedämmte Leitungen sowie kompakte Übergabestationen mit Wärmedämmung und Wärmemengenzähler verwendet. Die Vorlauftemperatur konnte auf ca. 90° Celsius reduziert werden. Zu den bisherigen Energiequellen kamen Erneuerbare Energien, wie Bioenergie und Solarthermie hinzu. Diese Technologie ist in den heute bestehenden Netzen am häufigsten zu finden.
4. Generation: Aufgrund eines verringerten Energiebedarfs konnte die Vorlauftemperatur ab 2020 auf ca. 50 bis 70° C reduziert werden. Dadurch können weitere Wärmequellen, wie zentrale Wärmepumpen, Geothermie und Abwärme aus Industrie und Rechenzentren zum Einsatz kommen. Weiteres Kennzeichen der 4. Generation ist eine große Zahl von einspeisenden Wärmequellen. Jetzt ist es möglich, den Rücklauf älterer Wärmenetze als Vorlauf zu verwenden.
5. Generation: Gleichzeitig zur vorhergehenden Technologie entwickelt sich die 5. Generation der Wärmenetze mit einer weiteren Reduzierung der Temperatur. Bei diesen geringen Temperaturen, nahe der Umgebungstemperatur des Bodens, spricht man auch von kalter Nahwärme. Hier ist der Einsatz kostengünstiger, ungedämmter Plastikrohre sinnvoll, die im Erdreich Wärme aufnehmen. In den Gebäuden kommen Wasser-Wasser-Wärmepumpen zum Einsatz, um die Wärme nutzbar zu machen. Eine weitere Besonderheit sind Gebäude, die Kälte aus dem Netz beziehen und dadurch gleichzeitig Wärme in das Netz einspeisen. In diesen Fällen wird das Netz bidirektional betrieben.


Eignung der Siedlungen für Wärmenetze
Die Eignung einer Siedlung für ein Wärmenetz hängt von unterschiedlichen Faktoren ab. Der Wärmebedarf pro Siedlungsfläche, die Wärmedichte in kWh/qm pro Jahr, ist nur einer dieser Faktoren. Die Wärmedichte wird bestimmt durch die Energiekennwerte der vorhandenen oder noch zu errichtenden Gebäude und deren räumliche Verteilung.
Vorhandene Wärmequellen, wie Biogas- und Klärgasanlagen oder industrielle Abwärme, oder Erneuerbaren Energien, wie Geothermie und große Solarthermieanlagen, bieten große Potenziale für klimafreundliche Wärmenetze.
Wichtige Faktoren für die Eignung als Gebiet für ein Wärmenetz sind neben der Wärmedichte:
- Kosten für Bau- und Betrieb eines Wärmenetzes
- Kosten für Anschluss und Betrieb der Wärmequellen
- Anschlussgrad
Durch einen Vergleich mit den Kosten einer dezentralen Wärmeversorgung, z. B. mit einer Wärmepumpe, wird die wirtschaftliche Eignung eines Gebietes für ein Wärmenetz abgeschätzt.
Die Wärmedichte, der Wärmeverbrauch im Verhältnis zur Grundfläche, ermöglicht anhand von Erfahrungswerten eine Einschätzung, welche Art von Wärmenetzen in dem jeweiligen Siedlungsgebiet praktikabel ist. Der Leitfaden zur kommunalen Wärmeplanung des Umweltministeriums Baden-Württemberg hat eine Klassifizierung der Wärmebedarfsdichten (Endenergie) nach potenzieller Eignung für Wärmenetze angegeben:
Wärmedichte [MWh/ha×a] | Einschätzung der Eignung zur Errichtung von Wärmenetzen |
0 bis 70 | kein technisches Potenzial |
70 bis 175 | Empfehlung von Wärmenetzen in Neubaugebieten |
175 bis 415 | Empfohlen für Niedertemperaturnetze im Bestand |
415 bis 1.050 | Richtwert für konventionelle Wärmenetze im Bestand |
Über 1.050 | Sehr hohe Wärmenetzeignung |
Die Tabelle zeigt, dass mit zunehmender Wärmedichte die Eignung für ein Wärmenetz steigt. Je besser die Eignung für ein Wärmenetz, desto höher können die Systemtemperaturen sein.
Alternativ wird die Wärmeliniendichte für die Eignung eines Siedlungsgebietes für einen wirtschaftlichen Wärmenetzbetrieb herangezogen. Die Wärmeliniendichte ist die Wärmemenge pro Jahr, geteilt durch die Netzlänge oder den Wärmeverbrauch im Verhältnis zur Länge des jeweiligen Straßenabschnittes.
Transformation bestehender Wärmenetze
Rund 70 Prozent der Wärme in deutschen Fernwärmeleitungen stammt aus fossilen Energien. Den größten Anteil hat Erdgas, was viele Verbraucherinnen und Verbraucher 2022 durch höhere Preise zu spüren bekommen haben.
Betreiber bestehender Wärmenetze müssen in den kommenden Jahren auf erneuerbare Energien umstellen. Dazu sind sie laut des “Gesetzes für die Wärmeplanung und zur Dekarbonisierung der Wärmenetze” verpflichtet. Es enthält einen zeitlichen Ablauf zur Dekarbonisierung der Wärmenetze und die Vorgabe, dass Betreiber bis Ende 2026 einen entsprechenden Fahrplan für ihre Netze veröffentlichen müssen.
Die Planungsleistungen für die Umstellung bestehender Wärmenetze auf erneuerbare Energien bis 2045 werden als Transformationsplan mit der Bundesförderung für effiziente Wärmenetze (BEW) gefördert. Kommunen und Unternehmen erhalten einen Zuschuss von 50 Prozent der förderfähigen Kosten für die Planung der Umstellung auf erneuerbare Energien.
Der Ablauf dieser Transformation erfolgt in ähnlicher Art wie die kommunale Wärmeplanung. Zuerst werden der Wärmebedarf und mögliche Einsparungen im Versorgungsgebiet ermittelt. Anschließend werden Potenziale für erneuerbare Wärmequellen im näheren Umfeld gesucht. Die Ziele und Strategien zur Umstellung der Wärmenetze und eine eventuelle Aufteilung in Quartiere werden im Anschluss entwickelt. Auch die Finanzierung muss geklärt und die Kunden müssen eingebunden werden.
Machbarkeitsstudien
Wenn in einem Versorgungsgebiet noch kein Wärmenetz existiert, muss eine Machbarkeitsstudie zu seiner Umsetzung und Wirtschaftlichkeit mit erneuerbaren Energien erstellt werden. Diese wird ebenfalls in der Bundesförderung für effiziente Wärmenetze (BEW) mit 50 Prozent der förderfähigen Kosten unterstützt.
In einer Studie ermitteln die Fachplaner die Grundlagen und erstellen eine Vorplanung. Dazu gehören unter anderem
- das lokal verfügbare Potenzial der möglichen emissionsfreien Wärmequellen,
- die erforderlichen Temperatur-Niveaus,
- mögliche Abnehmer für die Wärme,
- eventuelle erforderliche Wärmespeicher,
- Fragen der Genehmigungsfähigkeit,
- Vorberechnungen der Wirtschaftlichkeit und
- ein Zeitplan.
Förderung für Wärmenetze
Die Installation der Anlagen zur Wärmeerzeugung, der Wärmeverteilung und Übergabe verursachen bei der Dekarbonisierung und Errichtung von Wärmenetzen die größten Kosten. Um die Lücke zur Wirtschaftlichkeit zu schließen, können die Betreiber auf die Module 2 bis 4 der BEW zurückgreifen. Dazu gehören
- die systemische Förderung für Neubau- und Bestandsnetze,
- Einzelmaßnahmen bei Wärmenetzen im Bestand und
- die Förderung der Betriebskosten.
Gewerbliche und kommunale Unternehmen können auf die Bundesförderung für Energie- und Ressourceneffizienz in der Wirtschaft bei der KfW zurückgreifen. Im Modul 2 zur Prozesswärmeerzeugung aus erneuerbaren Energien erhalten sie Förderung in Form eines günstigen Kredits oder Tilgungszuschusses für
- thermische Solaranlagen
- Wärmepumpen
- Anlagen zur Erschließung und Nutzung der Geothermie
- Anlagen zur Verfeuerung von fester Biomasse
- Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen
Voraussetzung für diese Förderung ist, dass die erzeugte Wärme für Prozesswärme verwendet wird. Es muss mindestens ein Unternehmen, das an das Wärmenetz angeschlossen ist, mehr als 70 Prozent der eingespeisten Nutzwärme abnehmen und für betriebliche Prozesse nutzen.
Im Rahmen der Bundesförderung für effiziente Gebäude BEG wird der Anschluss an ein Gebäude- oder Wärmenetz als Einzelmaßnahme gefördert. Dazu gehören alle notwendigen Maßnahmen und Komponenten bei dem jeweiligen Abnehmer der Wärme. Dieses Förderangebot richtet sich also an die Gebäudeeigentümer. Betreiber eines Wärmenetzes erhalten eine Förderung für Errichtung, Umbau oder Erweiterung eines Gebäudenetzes.
Die Förderrichtlinie definiert ein Gebäudenetz analog zum Gebäudeenergiegesetz GEG § 3 Absatz 1 Nummer 9a als ein Netz zur Versorgung von mindestens zwei und bis zu 16 Gebäuden und bis zu 100 Wohneinheiten mit Wärme und Kälte.
Betreibermodelle für Wärmenetze
Eine weitere wichtige Frage für den Betrieb von Wärmenetzen ist das Betreibermodell. Wer soll den wirtschaftlichen und technischen Betrieb des Netzes übernehmen?
Im Prinzip stehen drei verschiedene Modelle zur Auswahl:
- Eigenbetrieb der Kommune oder Betrieb mit kommunaler Mehrheitsbeteiligung: Häufig übernehmen Stadtwerke oder eine Tochter der Stadtwerke als Eigenbetrieb der Kommune den Betrieb der lokalen Wärmeversorgung. Wenn ein Stadtwerk bereits Wärme liefert, liegt es nahe, dass dieses die weiteren Netze betreibt. Kommunale Unternehmen haben die Nähe zur kommunalen Verwaltung, was die Bereitstellung von Flächen erleichtert, hilfreich für die Akzeptanz ist und Synergien mit anderen kommunalen Zielen ermöglicht.
- Contracting mit gewerblichem Vertragspartner: Die Mehrheit der Wärmelieferanten in Deutschland sind privatwirtschaftliche Unternehmen. Private Unternehmen haben häufig Erfahrungen aus anderen Projekten und entsprechend optimierte Prozesse bzw. kompetentes Personal. Diese Betreiber haben gute Möglichkeiten zur Finanzierung der Netze, aber auch von allen Modellen die höchste Renditeerwartung.
- Gemeinschaftliche Versorgung als Energiegenossenschaft: In vielen Kommunen engagieren sich Bürger für eine klimaneutrale Energieversorgung. Sie schließen sich in einer Genossenschaft zusammen, damit sie ihre Projekte über die Anteile der Mitglieder finanzieren können. Der Vorteil dieses Modells ist die Nähe zu den Bürgern, die zur Akzeptanz beiträgt. Energiegenossenschaften agieren nicht gewinnorientiert, Gewinne werden in das Projekt reinvestiert oder an die Mitglieder ausgezahlt.
Einzelne Modelle können sich überschneiden, zum Beispiel in Form von Partnerschaften oder Anteilen der Kommune an einer Bürgerenergiegesellschaft. Die Wahl des Modells hängt von den jeweiligen Bedingungen vor Ort ab.
Bei allen Modellen ist eine enge Zusammenarbeit mit der Kommune wichtig, zum Beispiel für die Nutzung kommunaler Flächen für Anlagen zur Wärmeerzeugung und Arbeiten zur Verlegung der Leitungen. Geht ein Netz über ein Quartier hinaus, sollte die Kommune koordinierend am Projekt beteiligt werden.
Bedeutung der Digitalisierung für Wärmenetze
Durch die zunehmende Komplexität der Wärmenetze spielt die Digitalisierung inzwischen eine wichtige Rolle. Nur so gelingt es effizient, unterschiedliche Wärmequellen an verschiedenen Standorten, teilweise mit fluktuierenden erneuerbaren Energien, zu verbinden und dem Bedarf entsprechend einzusetzen.
In einer Branchenumfrage des Startups Kelvin.Green sahen die Unternehmen ein großes Potenzial in der Digitalisierung für eine beschleunigte und kosteneffiziente Umsetzung grüner Wärmenetze.
Digitalisierung kann auf unterschiedlichen Wegen einen großen Beitrag zu einem wirtschaftlichen Betrieb der Netze mit fairen Wärmepreisen für die Verbraucher leisten:
- Optimierung der Planung und Dimensionierung eines Wärmenetzes
- Optimierung eines Transformationsplans oder einer Machbarkeitsstudie und Vergleich der Varianten
- Schnellere Erkennung und Bearbeitung der Leckagen oder Störungen
- Automatisierung der Prozesse für einen effizienten Betrieb
- Simulationen in Echtzeit zur Optimierung des Betriebs
- Intelligenter, datenbasierter und softwaregesteuerter Prozess statt manueller Steuerung
- Digitale Erfassung der gesamten Wertschöpfungskette von der Erzeugung über die Verteilung bis zur Nutzung
- Lastprognosen verbesser Planung und Betrieb der Anlagen zur Wärmeerzeugung
Fazit
Wärmenetze haben sich in den letzten Jahrzehnten stark verändert. Durch die Transformation zu geringeren Temperaturen können sie eine bedeutende Rolle in der Dekarbonisierung der Wärmeversorgung übernehmen. Jetzt wird es möglich, erneuerbare Energien oder Abwärme aus industriellen Prozessen einzubinden. Durch die reduzierten Temperaturen fallen weniger Verluste an. Bei kalter Nahwärme entfällt die Dämmung der Rohrleitungen und es kann Erdwärme genutzt werden. Moderne Wärmenetze können kaum noch mit ihren Vorgängern verglichen werden, sie sind inzwischen wesentlich effizienter und bieten neue Möglichkeiten für neue, klimafreundliche Wärmequellen.
Der Beitrag bietet eine fundierte Perspektive auf die Entwicklung von Wärmenetzen in Deutschland und deren Rolle in der zukünftigen Wärmeversorgung. Es ist beeindruckend, wie die Digitalisierung und der Einsatz erneuerbarer Energien in diesem Kontext hervorgehoben werden. Könnten Sie eventuell auch Beispiele für erfolgreiche Projekte oder Städte nennen, die bereits von diesen Technologien profitieren?