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Kraft-Wärme-Kopplung

Von der fossilen Effizienztechnologie zu einer neuen Rolle in der Wärmewende

Autor:innen: ; Huber, Michael; Clausen, Jens; Ehrhardt, Helge; Gerhards, Christoph; Hoffmann, Rana; Klafka, Peter; Köhne, Anja; Linow, Sven; Seifert, Thomas

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 4

2 Kernaussagen 5

3 Was ist eigentlich Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)? 6

4 Dezentrale KWK : Ist-Stand 8

5 Dezentrale KWK – zukünftige Bedeutung 10

6 KWK und Biogasanlagen 11

7 Sonderfall Wasserstoff-Brennstoffzellen-KWK 13

8 KWK in einem regenerativen Energiesystem 14

9 Was kann die Gemeinde unternehmen? 16

10 Quellen 17

1 Einleitung

Von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) spricht man, wenn die Energie eines Energieträgers gleichzeitig für die Erzeugung von Elektrizität und Wärme genutzt wird. Es ist also eine Technologie zur effizienten Nutzung von Brennstoffen. Brennstoffe für KWK können fossil sein, wie Erdgas, Erdöl oder Kohle, sie können auch regenerativ sein, wie z. B. Biogas und biogene Feststoffe oder auch grüner Wasserstoff und grünes Methan.

KWK wird in Zukunft, in einem zu ca. 95% auf erneuerbaren Energien beruhenden Energieversorgungssystem, nur noch einen Bruchteil dieser Brennstoffe nutzen können. Damit wird sich die Rolle der KWK ändern müssen und KWK wird eher im Bereich der Reserve-Stromversorgung eine kleinere, aber nach wie vor wichtige Rolle spielen. Diese anstehenden Veränderungen betreffen unterschiedliche Anwendungen der KWK in unterschiedlichem Maße, je nachdem in welchen Leistungsklassen und für welche Zwecke KWK heute und zukünftig eingesetzt wird:

Derzeit gibt es ca. 50 große Heizkraftwerke – also KWK-Kraftwerke – mit jeweils über 50 MW elektrischer Leistung (Umweltbundesamt, 2022) mit teils mehreren Kraftwerksblöcken. Diese werden überwiegend noch mit Steinkohle und Braunkohle betrieben, wenige arbeiten mit kombinierten Gas- und Dampfturbinen (GuD). Sie erzeugen Elektrizität für das Stromnetz und gleichzeitig Wärme für lokale, meist größere Fernwärmenetze.
Es gibt mehr als 61.000 mittelgroße und kleinere Heizkraftwerke, sog. Blockheizkraftwerke (BHKW) mit Verbrennungsmotor oder kleiner Gasturbine, die für einzelne Unternehmen, Gebäude oder Quartiere Strom und Wärme erzeugen (Statista, 2022). Viele dieser BHKW dienen in Industriebetrieben zur Eigenerzeugung von Elektrizität und Prozesswärme. Diese BHKW werden fast alle mit fossilem Erdgas betrieben. Nur etwa 700 oder etwa 1 % davon werden mit biogenen Feststoffen aller Art beheizt (Kirchner, 2015).
Eine besondere Rolle spielen die ca. 9.000 Biogasanlagen in Deutschland mit BHKW mit einer durchschnittlichen elektrischen Leistung von knapp 0,5 MW, deren Abwärme größtenteils ungenutzt bleibt, da potenzielle Wärmekunden zu weit entfernt sind (FNR, 2021, 2022; Rutz, 2015).

Was geschieht nun mit diesen KWK-Anlagen, wenn es immer weniger Brennstoffe gibt, die in einem CO2-freien Energiesystem genutzt werden können? Welche dieser Anlagen benötigen wir in einem regenerativen Energiesystem der Zukunft, z.B. zur Stabilisierung der Versorgung in Zeitabschnitten mit geringem Angebot an regenerativem Strom? Und in welchem Maße werden synthetische Brennstoffe wie grüner Wasserstoff oder grünes Methan einen Weiterbetrieb möglich machen? Müssen zusätzliche GuD und BHKW auf Basis CO2-freier Brennstoffe zugebaut werden oder vorhandene umgerüstet oder abgebaut werden, da keine Brennstoffe für sie bereitgestellt werden können? Wie stark sind die Geschäftsmodelle der KWK-Betreiber betroffen? Dieses Policy Paper will diese Fragen beantworten.

2 Kernaussagen

Die effiziente, gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme in Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) gehört seit den 1970er Jahren zum ökologischen Programm der Energiewende. Deshalb wurde KWK auch seit 2002 massiv gefördert. Zu diesem Zeitpunkt galt die relative Verminderung von CO2-Emissionen noch als ein wirksamer Baustein der Klimapolitik. Heute müssen wir, um das 1,5 °C-Ziel zu erreichen, bis 2030 nicht nur die Kohleverstromung völlig einstellen, sondern den Erdgasverbrauch halbieren und in wenigen weiteren Jahren völlig beenden. Eine Neuinvestition in die Grundlasterzeugung von Strom und Wärme auf Erdgasbasis ist nicht mit den Klima-Regularien in Deutschland zu vereinbaren (Oei et al., 2019). Das heißt, durch das Pariser Klimaabkommen und die Weiterentwicklung zu einem regenerativen Energiesystem haben sich wesentliche Randbedingungen verändert, so dass KWK heute neu bewertet werden muss.

Prinzipiell gilt: Wenn bei der Erzeugung von Elektrizität auch Wärme anfällt, sollte diese Wärme möglichst vor Ort genutzt werden. Unter diesem Aspekt bleibt KWK in einer CO2-freien Zukunft sinnvoll, wenn auch in stark reduziertem Maßstab.
Große, moderne GuD-Kraftwerke werden auch in Zukunft zur Erzeugung von Strom in Zeitabschnitten benötigt, in denen Windenergie und Sonnenstrom nicht in ausreichender Menge vorhanden sind (Dunkelflaute). Der Energiebedarf dieser Reservekraftwerke wird durch grünen Wasserstoff oder daraus hergestelltes synthetisches Methan gedeckt werden müssen. Ein Anschluss dieser großen Kraftwerke an geeignete Pipelines wird daher notwendig sein. Bei diesen dann strombedarfsgeführten Kraftwerken ist KWK nur noch zur temporären Einspeisung der Abwärme in Wärmenetze möglich. Zur Abdeckung der Wärmegrundlast der Wärmenetze können diese Reservekraftwerke zukünftig nicht sinnvoll eingesetzt werden. Für die Grundlast der Fernwärmenetze müssen neue, regenerative Wärmequellen erschlossen werden.
Durch den zu erwartenden Rückbau großer Teile des Erdgas-Verteilnetzes werden etliche bestehende kleine, dezentrale KWK-Anlagen und BHKW keinen Zugang mehr zu Brennstoff haben. Dennoch können einige dieser BHKW (evtl. auch Brennstoffzellen-Anlagen) als Teil eines Energie-Insel-Konzepts weiterhin eine wichtige Rolle für die Netzstabilität und die Versorgungssicherheit mit Elektrizität spielen: Durch den Einsatz von lokal erzeugtem und gespeichertem Wasserstoff könnten sie sowohl lokale Spitzenlast bereitstellen als auch EE-Strommangelzeiten überbrücken.
Derzeit erscheint dies oft noch unwirtschaftlich, ist aber bei sukzessiver Umsetzung in Zukunft realisierbar (siehe die weiter unten erwähnte Beispiele). Auch eine Gleichstellung von Privatpersonen, Energiegenossenschaften, sowie kleinen und mittleren Unternehmen mit Energieversorgungsunternehmen bei der Eigenstromerzeugung und -speicherung wird dies unterstützen.
Auch die Funktion von biogas-basierter KWK wird sich ändern: Durch den Klimawandel und in Anbetracht der ökologischen Anforderungen an die Landwirtschaft mit dem Primat der Lebensmittelversorgung wird der Anbau von Energiepflanzen zurückgehen, so dass deutlich weniger Biogas zur Verfügung stehen wird. In den nächsten Jahren könnte sich allerdings der Betriebsmodus von Biogasanlagen von Grundlast- zu Mittellasterzeugung verschieben.
KWK, die mit Gas aus Abfallbehandlung, Kläranlagen, Grubengasen oder industriellen Reststoffen versorgt wird, stellt eine eigene Gruppe dar. Ein Zubau von Anlagen auf der Grundlage dieser Gase kann dort sinnvoll sein, wo ungenutzte Abfall-Potenziale wie Faulschlamm aus Kläranlagen oder aus der anaeroben Kompostierung von Bioabfall bestehen.

Für die Kraft-Wärme-Kopplung kündigt sich also an, dass sich ihre in den letzten 40 Jahren etablierte Rolle in der Strom- und Wärmeversorgung grundlegend ändert. Das Ziel der Dienlichkeit für das Stromnetz wird für den Betrieb von KWK-Anlagen deutlich wichtiger werden als das Ziel der Maximierung der effizienten Nutzung von Brennstoffen. In Zukunft wird unausweichlich die Verbrennung nur noch eine begrenzte Rolle in der Stromversorgung spielen dürfen.

3 Was ist eigentlich Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)?

Grundprinzip: Eine Anlage der Kraft-Wärme-Kopplung nutzt den eingesetzten Brennstoff zunächst zum Antrieb eines Generators, der Elektrizität erzeugt, und verwertet die unvermeidliche Abwärme für die Versorgung eines Wärmeabnehmers. Früher war Kraft-Wärme-Kopplung eine Möglichkeit, die Effizienz der Nutzung fossiler Energieträger, wie Steinkohle, Braunkohle, Erdgas oder Heizöl, in Kraftwerksanlagen zu verbessern. Die reine Erzeugung von Elektrizität in Kraftwerken erreicht einen energetischen Wirkungsgrad von 30 % bis ca. 45 %. Durch die zusätzliche Nutzung der Abwärme können weitere 40% oder mehr der Energie aus den Energieträgern genutzt werden. Damit wird insgesamt über 80 % der eingesetzten fossilen Energie nutzbar. Der Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung e.V. stellt den Unterschied zwischen einem KWK-Kraftwerk und der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme wie in Abbildung 1 gezeigt dar.

Eignung verschiedener Kraftwerkstypen für KWK: Bezüglich der Eignung für KWK unterscheiden sich die verschiedenen Kraftwerkstypen. Häufig genutzt werden Kohlekraftwerke, da sie mit Dampfturbinen arbeiten, die zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrads (Stromwirkungsgrad bis 47%) den Dampf nach Durchströmen der Turbine kondensieren müssen. Statt diese Abwärme über Kühltürme in die Umgebung abzugeben ist die weitgehende Übernahme in ein Wärmenetz ohne besonderen Aufwand gut möglich. Gut geeignet sind auch besonders effiziente GuD-Kraftwerke (Stromwirkungsgrad bis zu 61 %), da sie die Abwärme der Gasturbine zur Dampferzeugung für eine nachgeschaltete Dampfturbine nutzen, deren Kondensator dann gleich zur KWK-Einspeisung ins Wärmenetz dienen kann (Gesamtwirkungsgrad mit Abwärmenutzung bis 90%). Auch die in kleineren BHKW oft verwendeten Gas-Motoren (Stromwirkungsgrad ca. 30% bis 40%) eignen sich gut für KWK, da ihre ohnehin nötigen Kühler ebenfalls gut als Wärmequelle für Wärmenetze dienen können.

KWK – ein altes Konzept: Das Konzept der Kraft-Wärme-Kopplung ist keineswegs neu und wurde schon 1882 von Thomas Alva Edison in seiner Pearl Street Electricity Station realisiert, dem ersten zentralen Kraftwerk in den USA. Die Anlage versorgte einen Teil der New Yorker Innenstadt mit Strom und Wärme (Kelly, 2016). Durch den Bau von Stromleitungen wurde dann eine Verlagerung der Kraftwerke aus den Städten in ländliche Gebiete möglich (TÜV-Nord, 2019). Die Verwendungsmöglichkeit für die Abwärme wurde so eingeschränkt und KWK kam aus der Mode.

Seit ca. 1960 wird KWK zunehmend für Fernwärme genutzt: Seit den 1960 Jahren erfolgte in der Bundesrepublik und in einigen Ballungsgebieten der DDR ein Ausbau der KWK und, damit verbunden, ein Ausbau der Fernwärme. Ein großer Anteil der in Kraft-Wärme-Kopplung erzeugten Wärme wird – soweit nicht lokal als industrielle Prozesswärme genutzt – heute in der Heizsaison in Fernwärmenetze eingespeist. Der Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e. V. (AGFW e.V., 2021) weist für die angeschlossenen 196 großen Wärmenetze einen Brennstoffeinsatz von 79 % Kohle, Erdgas und Öl sowie weitere 15 % aus der Müllverbrennung aus. 80 % dieser Energien werden in Kraft-Wärme-Kopplung erzeugt.

Erweiterter Einsatz von KWK durch Verbrennung von Müll und Nutzung von Biomasse: Im Zuge der Entwicklung und Markteinführung der erneuerbaren Energien kamen seit den späten 1970er Jahren weitere Energieträger für die Nutzung in KWK dazu. Biogas, Klärgas, Pflanzenöl, Holz, Pellets, Bioethanol und vor allem Siedlungsabfälle („Müllverbrennung“) wurden zunehmend in KWK-Anlagen eingesetzt und zur Erzeugung von Strom und Wärme genutzt. Da die hierfür verwendeten Anlagen oft kleiner waren als die großen Kraftwerke, prägte sich für diese Anlagen der Begriff Blockheizkraftwerk oder BHKW.

Zubau vieler Erdgas-BHKW: Aufgrund des hohen Wirkungsgrades eroberte sich das mit fossilem Erdgas betriebene BHKW einen festen Platz unter den energiesparenden Technologien. Kleinere und mittlere Stadtwerke installierten BHKWs, um in Abhängigkeit vom jeweiligen Strompreis an der Börse ihre BHKWs als kostengünstigere Alternative zum Fremdstrombezug temporär zuschalten zu können. Für die Wärmeversorgung großer kommunaler Gebäude wie z. B. Schulen oder Verwaltungsgebäude wurden, begünstigt durch Förderzuschüsse, zunehmend BHKW installiert. Die Erzeugung von – bei den herkömmlichen Gaspreisen – vergleichsweise kostengünstigem Eigenstrom wurde als zusätzlicher Benefit gerne mitgenommen, so dass bislang die vergleichsweise teurere Umstellung der Heizung auf potenziell CO2-freie Wärmepumpen unterblieb.

Alternative Brennstoffzellen: Die neueste Entwicklung der KWK sind Brennstoffzellen, die Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser umsetzen und so Strom erzeugen. Auch in diesen Anlagen wird Wärme frei, so dass Brennstoffzellen als KWK-Anlage dienen können. Seit den 1990er Jahren bekannt, werden solche Brennstoffzellen-Anlagen seit den 2010-er Jahren vereinzelt eingesetzt. Für Einzelgebäude in der Regel unwirtschaftlich, könnten sie wg. ihres zumindest theoretisch höheren Stromwirkungsgrads im Rahmen des oben erwähnten Energie-Insel-Konzepts an Bedeutung gewinnen.

4 KWK: Ist-Stand

Die KWK erfuhr in Deutschland bereits seit 2002 mit dem ersten KWK-Gesetz (Sitte & Glatzel, 2002) und dann nochmal seit 2010 dank des 2009 im EEG verankerten KWK-Bonus eine schnelle Verbreitung. Die Zahl der Anlagen im Bestand umfasste 2011 knapp 13.000 Anlagen, in 2020 waren es schon über 63.000 Anlagen (Statista, 2022). In 2020 verteilte sich die Leistung dieser Anlagen auf die in Abbildung 2 dargestellten Anlagentypen:

Große Anzahl von kleineren BHKW: Mengenmäßig ist der Anteil kleinerer BHKW von
1 kW bis 10 MW Leistung mit 61.000 Anlagen am höchsten. Sie nutzen fast alle fossiles Erdgas. Überall wo Gebäudeheizung oder Prozesswärme im Vordergrund steht, werden zunehmend auch kleinere Gasturbinen eingesetzt. Die in dieser Gruppe der KWK-Anlagen registrierten ca. 130 Stirlingmotoren und ca. 40 Brennstoffzellen sind für die gegenwärtige Praxis der KWK aufgrund ihrer geringen Anzahl unbedeutend.

Große GuD-Kraftwerke der Stromversorger: Die höchste Leistung entwickeln die etwa 130 GuD-Kraftwerke bzw. Kraftwerksblöcke der Stromversorger, die jeweils mehr als 50 MW Leistung aufweisen (Bundesnetzagentur, 2022a). Bei praktisch allen neueren GuD-Kraftwerken wird KWK auch zur Speisung von Wärmenetzen genutzt.

Erheblicher Beitrag zur industriellen Stromversorgung: KWK erwies sich auch für die Erzeugung von Prozesswärme in industriellen KWK-Kraftwerken als wirtschaftlich. So gibt es heute in der Industrie immerhin einen Bestand von ca. 250 Dampfturbinen- und ca. 20 Gasturbinen-Kraftwerken mit KWK.

Bislang noch überwiegend fossiler Betrieb: Die in der KWK eingesetzten Energieträger sind zu 52 % Erdgas und zu ca. 16 % Stein- und Braunkohlen sowie Mineralöle. Zu ca. 26 % dient Biomasse als Energieträger (Umweltbundesamt, 2020, S. 15). Ca. drei Viertel der eingesetzten Energieträger sind fossil.

Bislang Schwerpunkt effiziente Brennstoffnutzung: Solange fossile Brennstoffe genutzt werden, liegt der Vorteil von KWK im Vergleich zur reinen fossilen Stromerzeugung ohne Abwärmenutzung in der höheren Ausnutzung des Energieträgers. Mit Blick auf das Jahr 2030, in dem 80 % des Stroms regenerativ sein sollen, wird sich dieser Vorteil der KWK auf einen immer kleiner werdenden Anteil an fossilen Brennstoffen begrenzen. KWK wird also immer unwichtiger. Unter dem Aspekt klimafreundlicher Gebäude-Wärmeversorgung fällt der Vergleich von KWK zur Luft-Wasser-Wärmepumpe bereits beim Strommix 2020 (mit Treibhausgasemissionen der Stromerzeugung von 400 g CO2/kWh) deutlich gegen die KWK und zu Gunsten der Wärmepumpe aus (Umweltbundesamt, 2020).

5 KWK und Biogasanlagen

Seit ca. 2010 ein wesentlicher Beitrag zur Energieversorgung: Schon seit den 1970er Jahren gehörten Biogasanlagen neben Wind und Sonne zum Technologiepaket der grünen Energiewende (Dokumentationsgruppe, 1978). Aber wie bei Windkraft und Photovoltaik begann auch bei der Bioenergie erst durch das EEG im Jahr 2000 allmählich die großskalige Anwendung. Die Bruttostromerzeugung aus Biogas wuchs von 0,001 TWh in 1990 über 0,445 TWh im Jahr 2000 auf 15,3 TWh im Jahr 2010 und 28,5 TWh im Jahr 2021 (AGEE-Stat, 2022). Die Erfassung des Endenergieverbrauchs erneuerbarer Energien für Wärme und Kälte weist erst 2003 die ersten Zahlen aus. Pro 100 kWh erzeugter elektrischer Energie aus Biomasse wurden damals nur 30 kWh Wärme einer Nutzung zugeführt. In 2010 wurden 7,4 TWh und in 2021 13,3 TWh erreicht. Erst durch den KWK-Bonus im EEG 2009 kam die Wärmenutzung letztlich in Fahrt.

Umstellung von Biogasanlagen auf Spitzenlast: Gegenwärtig laufen Bestrebungen, die Stromerzeugung von Biogasanlagen so umzustellen, dass sie ihre elektrische Leistung primär zu Zeiten hohen Strombedarfs bereitstellen. Das setzt zusätzliche Investitionen in die Flexibilisierung der Biogasanlagen durch den Zubau von Motoren und Generatoren sowie Erweiterung der Biogas-Speicher voraus. Technisch ist eine solche witterungsunabhängige Bereitstellung von Spitzenleistung durch flexibilisierte Biogasanlagen durchaus realisierbar (VisuFlex, 2023). Zwar liegen die Stromgestehungskosten dabei erheblich über denen von Wind und PV, letztlich konkurrieren flexibilisierte Biogasanlagen aber mit den Anbietern von Residuallast-Spitzenleistung und können zudem Minuten- und Stundenreserve bereitstellen so dass sie auch deutlich höhere Preise erzielen können. Alternativ wäre auch die Einspeisung von Biomethan ins Gasnetz möglich.

Biogas aus Energiepflanzenanbau ist heute teuer, klimaschädlich, umweltschädlich und nicht nachhaltig: Mengenmäßig werden in Biogasanlagen ca. 45 % eigens dafür angebaute nachwachsende Rohstoffe (NawaRo) und ca. 49 % Gülle eingesetzt. Nur zu ca. 6% werden organische Abfälle z. B. aus der Lebensmittelindustrie, Landwirtschaft, kommunalem Biomüll u. ä. genutzt (FNR, 2023a). 2021 wurde in Deutschland auf 2,65 Mio. Hektar Mais angebaut, davon ca. ein Drittel (0,88 Mio. Hektar) für die Biogasproduktion (FNR, 2022b). Dafür wurden die Maisflächen zuungunsten von Lebensmittel- und Futtermittelanbau ausgeweitet, sowie auch bisheriges Grasland und Brachland in Ackerland umgewandelt. Aufgrund des beim Maisanbau aus der Stickstoffdüngung freigesetzten Treibhausgases N2O (ca. 300-mal klimaschädlicher als CO2), des ins Grundwasser auch durch Gülle eingetragenen Nitrats sowie des hohen Grundwasserverbrauchs durch Feldberegnung und der hohen Erosionsrate auf Maisfeldern ist Biogas auf Basis von Maisanbau klimaschädlich, umweltschädlich und nicht nachhaltig.

Alternativ zum Maisanbau ist auch die Erzeugung der Biomasse mittels Blühwiesen mit regionalen Wildpflanzen möglich: Ohne Pestizid- und Kunstdüngereinsatz kann so eine hohe Biodiversität erreicht werden, z.B. mit den von der Bayerischen Landesanstalt für Wein- und Gartenbau entwickelten Wildpflanzenmischung (Degenbeck, 2020). Der Biogasertrag liegt allerdings nur bei 35 - 50% im Vergleich zu Mais und der Subventionsbedarf würde sich deutlich erhöhen.

Energetische und wirtschaftliche Ineffizienz vom Energiepflanzenanbau: Auch energetisch ist Biogas ineffizient, denn Photovoltaik erbringt, bezogen auf die Fläche, heute den 32-fachen Energieertrag im Vergleich zu Mais (Fraunhofer ISI, 2022). Hinzu kommt, dass Stromerzeugung mit Biogas aus Energiepflanzenanbau sehr aufwendig ist, bei Auktionen regelmäßig Preise erzielt, die dreimal höher liegen als Wind- oder Solarstrom (Bundesnetzagentur, 2022c) und so den Strompreis nach oben treibt. Aufgrund steigender Kosten ist auch der Weiterbetrieb bestehende Biogasanlagen zumindest unsicher, da die Bauern im Zuge der Debatte über die Abschöpfung von Übergewinnen schon jetzt bis zu 25 Cent/kWh als kostendeckendes Minimum fordern (NDR, 2022).

Biogas ist bestenfalls eine Nischenlösung: Die von vielen Stadtwerken und Kommunen geäußerte Absicht, von Erdgas auf Biogas bzw. Biomethan umzustellen, ist - nüchtern betrachtet - nur eine Nischen-Lösung. Dies gilt nicht nur für die Stromerzeugung, sondern auch für Biogas-Einsatz in KWK-Anlagen. Eine Steigerung der Biomassenutzung ist aufgrund der Klima- und Umweltwirkungen des Energiepflanzenanbaus nicht realistisch (Scientists for Future, 2022d; Umweltbundesamt, 2019). 2020 betrug der Erdgasverbrauch in Deutschland 905 TWh (Scientists for Future, 2022f); demgegenüber steht eine heutige Produktion von Biomethan, also auf Erdgasqualität aufbereitetes Biogas, von 11 TWh. Mit Biomethan ist kein Ersatz des fossilen Erdgases in nennenswertem Umfang möglich. In den aktuellen Langfristszenarien für die Umstellung auf Treibhausgas-Null bis 2045 wird sogar erwartet, dass der Biomasseeinsatz für die Stromerzeugung langfristig gegen Null geht (Sensfuß, 2022). Sinnvoll ist der Einsatz von Biogas langfristig nur, wenn er strengen Nachhaltigkeitskriterien entspricht, indem z. B. ausschließlich Biomasse aus Abfall- und Reststoffen eingesetzt wird. Eventuell könnten die bereits vorhandenen, auf Basis nachwachsender Rohstoffe laufenden Biogasanlagen noch einige Jahre vermehrt zur Deckung von Spitzenlast genutzt werden, um den Ausgleich von Schwankungen bei Wind- und Solarstrom zu unterstützen (Fell und Welteke-Fabricius 2022).

6 Sonderfall Wasserstoff-Brennstoffzellen-KWK

Schon in den 1990er Jahren arbeiteten Unternehmen der Heizungsbranche an Brennstoffzellen-Heizgeräten, die neben Wärme auch Strom erzeugen sollten (Vaillant, 1999). Die Logik folgte der Erfahrung des Umgangs mit anderen fossilen Brennstoffen: aus einem Brennstoff so viel wie möglich wertvollen Strom herausholen und mit der unvermeidbaren Abwärme heizen.

Seit 2006 sind Mikro-KWK auf Brennstoffzellenbasis in Erprobung: Durch die Bundesregierung wurde 2006 das Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie auf den Weg gebracht. Ein wesentliches Ziel des Programms war die technologische Entwicklung von Brennstoffzellen in den drei Dimensionen Wirkungsgrad, Lebensdauer und Kosten (BMVI & BMWi, 2017). In Europa war Deutschland am Ende des evaluierten Zeitraums der führende Markt für Brennstoffzellenheizgeräte für Haushalte. Die Evaluation des Programms dokumentiert 2.000 installierte Mikro-KWK-Anlagen (BMVI & BMWi, 2017). Die Bedeutung der Zahl relativiert sich allerdings vor dem Hintergrund, dass im selben Jahr der Bestand an Wärmepumpen die Marke von einer Million überschritt (Christian, 2018).

Für Heizungszwecke energetisch ineffizient und unwirtschaftlich: Ist es in einem regenerativen Energiesystem überhaupt sinnvoll, aus Strom Gas zu erzeugen, nur um dieses in einer KWK wieder in Strom zurück zu verwandeln? Perner, Unteutsch und Lövenich (2018, S. 13) dokumentieren die auf diesem Weg zu berücksichtigenden Wirkungsgrade der verschiedenen Prozesse. Zunächst gehen ca. 5 % der regenerativ erzeugten Primärenergie im Übertragungsnetz verloren, mindestens weitere 30 % treten als Abwärme in der Elektrolyse auf, so dass bestenfalls 67 % in Form von Wasserstoff verfügbar sind. Daraus macht die Brennstoffzelle ca. 24 % Wärme und 21 % Strom, die wieder ins Netz eingespeist werden. Ziehen wir diese 21 % von den ursprünglichen 100 % ab, so wurden durch den aufwändigen Prozess aus 79 % des regenerativ erzeugten Stroms 24 % Wärme gewonnen. Verluste durch die Speicherung von Wasserstoff sind dabei noch nicht berücksichtigt. Der Gesamtwirkungsgrad liegt damit bei ca. 30 %, etwa ein Zehntel des Wirkungsgrades einer Wärmepumpe, die auf Basis von regenerativ erzeugtem Strom ca. 300 % Wärme bereitstellt. Beim Vergleich der Wärmepumpe mit einer mit grünem Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellenheizung erwarten Baldino et al. (2021, S. 7) für die Haushalte daher Heizkosten, die knapp um den Faktor acht höher liegen als im Fall der elektrischen Wärmepumpe. Hinzu kommt, dass Wasserstoff als möglicher klimaneutraler Energieträger vermutlich bis auf weiteres nur begrenzt verfügbar sein dürfte (Scientists for Future, 2022a) und daher nur in Anwendungen zum Einsatz kommen sollte, in denen er aufgrund seiner stofflichen Eigenschaften unverzichtbar ist. Der Einsatz von Brennstoffzellen zur Wärmegewinnung über KWK ist daher bis auf Nischenanwendungen nicht sinnvoll.

Wasserstoff-Brennstoffzellen in Energie-Insel-Lösungen: BHKW auch in Form von Brennstoffzellen-Anlagen könnten u.a. bei Energie-Insel-Lösungen eine wichtige Rolle für die lokale Netzstabilität und die Versorgungssicherheit mit Strom spielen. KWK-Wärme fällt dann als Nebenprodukt ab. Ob dabei Brennstoffzellen die herkömmlichen Verbrennungsmotoren ersetzen können, hängt davon ab, ob ihr potenziell höherer Stromwirkungsgrad durch die Entwicklung preisgünstigerer Anlagen zum Tragen kommt.

7 KWK in einem regenerativen Energiesystem

Die fossile KWK hat in einem regenerativen Energiesystem keine Zukunft. Ihre undifferenzierte Förderung muss schnellstmöglich eingestellt werden (Oei et al., 2019, BEE, 2021). Die Kraft-Wärme-Kopplung wird aber auch mit regenerativen Brennstoffen in einem regenerativen Energiesystem nur eine beschränkte, wenn auch wichtige Rolle spielen. In einem Versorgungssystem mit einem Anteil von ca. 95 % an erneuerbaren Energien wird KWK primär ein sinnvoll genutztes Nebenprodukt der Stromnetzstabilität sein.

Überbrückung von EE-Stromschwankungen und Dunkelflauten durch Energiespeicher: Eine Verschiebung von Stromangebot und -nachfrage wird über Tage und Wochen über Elektrolyse zu Wasserstoff und/oder grünem Methan (Power-to-Gas-Technologien, PTG) ausgeglichen werden müssen. Der so gewonnene Brennstoff (Wasserstoff, Methan oder z. B. Methanol) kann lange Zeit gespeichert und dann teilweise unter Kraft-Wärme-Kopplung wieder in Strom und Wärme rückgewandelt werden (Kopernikus-Projekt Ariadne, 2021). Für diese Rückverstromung sind erhebliche Reservekraftwerks-Kapazitäten erforderlich. Ein Anteil dieses Reservestroms wird von großen Gasturbinen sowie Gas-und-Dampf-Kraftwerken und ein anderer Teil von BHKW mit Verbrennungsmotoren erbracht werden (Fraunhofer ISE, 2020).

Zukünftiger Bedarf an Gaskraftwerken: Nach Umstellung auf 100% CO2-freie Energieversorgung wird für 2045 von einer Stromspitzenlast von ca. 160 GW ausgegangen, dies entspricht einer Verdoppelung gegenüber heute (Dena, 2018). Unter Berücksichtigung von steuerbaren Lasten, wie E-Auto und Wärmepumpen werden 2045 dann bis zu ca. 80 GW nach aktuellem Bedarf steuerbare Erzeugungskapazität nötig sein. Derzeit sind in Deutschland Gaskraftwerke mit ca. 32 GW Leistung installiert. Das heißt, um EE-Strommangelzeiten und vor allem Dunkelflauten überbrücken zu können, bräuchten wir bis 2045 weitere 30 GW bis 40 GW (also insgesamt ca. 80 GW) mit grünem Wasserstoff oder grünem Methan betriebene große und kleine Gaskraftwerke. Je nach Ausbau des innerdeutschen und europäischen Stromnetzes würde jedoch ggfs. ein Ausbau auf ca. 40 GW Reservekraftwerke genügen (50Hertz Transmission GmbH, Amprion GmbH, TenneT TSO GmbH & TransnetBW GmbH, 2021), da in einem solchen vernetzten System dann durch Importe zeitgleiche Überschüsse oder Reservekraftwerke aus Nachbarstaaten genutzt werden könnten. In jedem Falle sollten bestehende Gaskraftwerke für die zukünftige Spitzenlastdeckung weiter vorgehalten und je nach dem zukünftigen Angebot von Methan und Wasserstoff ggf. auf Wasserstoff-Einsatz umgerüstet werden.

Kraftwerke zur Wärmeversorgung mit KWK werden in Zukunft unwirtschaftlich: Die Betriebszeiten der Residuallast-Kraftwerke - also die Zeiten, wo bei Wind- oder Solarstrommangel diese Kraftwerke mit grünem Wasserstoff oder Methan einspringen müssen, werden sich im Schnitt über alle Kraftwerke auf weniger als ca. 1.500 Volllaststunden pro Jahr reduzieren. Die relativ hohen Kosten für die grünen Brennstoffe machen den Betrieb dieser Kraftwerke für eine Grundlastversorgung sowohl für Wärme als auch für Strom unwirtschaftlich (Bundesnetzagentur, 2022b; DWD, 2018; Grams, Beerli, Pfenninger, Staffell & Wernli, 2017). Auch während dieser kurzen Laufzeiten sollte die Abwärme der Kraftwerke aber genutzt werden.

Gaskraftwerke oder GuD zum Ersatz für Kohle sind für die Grundlast der Fernwärme ein Irrweg: Im Rahmen des gesetzlich geregelten Kohleausstiegs müssen alle Kohlekraftwerke bis spätestens 2038 stillgelegt werden. Diese Kohlekraftwerke werden derzeit neben der Grundlaststromversorgung vielerorts auch mithilfe von KWK zur Wärmeerzeugung für Fernwärmenetze eingesetzt. Oft wird geplant, sie durch Gaskraftwerke oder GuD-Kraftwerke zu ersetzen. Aufgrund der hohen Brennstoffkosten und eines in Zukunft strombedarfsgeführten Kraftwerkseinsatzes werden diese Residual-Gaskraftwerke nur noch einen stark reduzierten Beitrag zur Wärmeversorgung leisten können. Auch eine Umstellung der Erdgasnetze auf Wasserstoff würde für die Fernwärmeversorgung mittels KWK aus großen Gaskraftwerken nichts ändern. Wärme aus Wasserstoffverbrennung wäre zumindest für die Grundlast viel zu teuer. Stattdessen muss für die Wärmeversorgung in der Fernwärme ab sofort auf CO2-freie Wärmequellen gesetzt werden. Das ist nicht nur klimapolitisch geboten; mit zunehmendem Ausbau der Erzeugung von erneuerbarem Strom wird zudem auch der Betrieb von Wärmenetzen auf Basis von Wärmepumpen zur mit Abstand kostengünstigsten Lösung werden (Scientists for Future, 2022a, 2022b, 2022c).

Auch der Weiterbetrieb kleiner, dezentraler, bislang fossiler KWK-Anlagen ist eventuell sinnvoll: Auch diese können zumindest mittelfristig zur Deckung von Spitzenlast von Strom oder Wärme beitragen. Ob ein langfristiger Weiterbetrieb der vorhandenen 63.000 kleinen BHKW wirtschaftlich sein kann, hängt von der zukünftigen Entwicklung des Strommarktdesigns ab und lässt sich gegenwärtig kaum vorhersagen. Hinzu kommt die Frage, ob sich die Gasversorgung der dezentralen KWK mit grünem Wasserstoff oder synthetischem Methan oder Biogas sicherstellen lässt. Der Rückbau der Erdgasnetze als Konsequenz aus dem Rückbau der Erdgasheizungen dürfte zahlreichen kleineren BHKW die Gasversorgung entziehen.

Fernwärme erfordert in Zukunft große Wärmespeicher: Wichtig ist auch der Zubau großer Wärmespeicher, denn der Bedarf an Reservestrom fällt zeitlich nur bedingt mit dem Wärmebedarf der Fernwärmekunden zusammen. Viele Fernwärmeversorger haben bereits begonnen, große Wärmespeicher zu bauen. Zum Beispiel bauen die Stadtwerke München für ihr aus Geothermie und GuD-KWK gespeistes Fernwärmenetz gegenwärtig einen zusätzlichen 45.000 m3 fassenden Warmwasserspeicher (Stadtwerke München, 2022).

Aufbau von dezentralen Energie-Inseln: Eine „Energie-Insel“ umfasst eine Kombination folgender Komponenten:

lokale Stromversorgung aus lokal erzeugtem Wind- und/oder Solarstrom,
CO2-freies Wärmenetz, gespeist mittels Wärmepumpen aus Erdwärme, Abwasserwärme und/oder Flusswasserwärme und evtl. Solarthermie,
Elektrolyseur und Wasserstoff-Speicher mit Abwärmenutzung zur Verwertung von lokalem EE-Überschussstrom und
BHKW oder Brennstoffzellen-Kraftwerk zur Stromerzeugung bei EE-Strommangel.

Die Kraftwerks-Abwärme kann zur Einspeisung ins Wärmenetz genutzt werden. Da Strombedarf und Wärmebedarf nicht synchron sind, wird der Einsatz von Strom- und Wärmespeichern sinnvoll sein. Nachahmenswerte Beispiele solcher Konzepte sind z. B. die Stadtwerke Lemgo, das Projekt Weststadt Esslingen oder das Industrieunternehmen Max Bögl (Bayerische Staatszeitung, 2021; Maier-Solgk, 2022, Roider, 2022).

8 Was kann die Gemeinde unternehmen?

Gemeinden, in denen sich moderne GuD-Kraftwerke mit KWK befinden, sollten diese Kraftwerke als nützlich für ein zukünftiges, regeneratives Energiesystem beibehalten und ihre Betriebsfähigkeit langfristig sicherstellen. Allerdings muss bei der Planung berücksichtigt werden, dass diese Kraftwerke künftig für die Grundlastversorgung der Fernwärme ausfallen werden. Für die Fernwärme-Grundlast muss deshalb eine Umstellung auf CO2-freie Wärmequellen in Angriff genommen werden. Langfristig wird ein GuD-Kraftwerk mit Wasserstoff oder synthetischem Methan als Residual-Kraftwerk nicht mehr primär wärmebedarfsgesteuert sondern strombedarfsgesteuert eingesetzt werden. Ob sich dann der Einsatz zur Spitzenlasterzeugung bei Wärme im Wettbewerb mit anderen Wärmequellen noch lohnt, wird sich zeigen müssen. Jedenfalls können moderne GuD-Kraftwerke mithilfe von KWK auch weiterhin einen gewissen Beitrag zur Fernwärmeversorgung leisten, während sie zur Stromerzeugung arbeiten. Ein Zubau neuer großer Gasheizwerke als Hauptwärmequelle für Fernwärmenetze passt dagegen nicht in ein zukunftssicheres Konzept einer auf erneuerbaren Energien basierenden Energieversorgung.

Bei der Erstellung kommunaler Wärmepläne (Scientists for Future, 2022e) sollte kritisch hinterfragt werden, welche heute vorhandenen KWK-Anlagen langfristig weiter Zugang zu Brennstoffen haben werden. Wird – wie es einige Stadtwerke heute schon ankündigen – im Zuge des Rückbaus von Erdgasheizungen das Gasnetz zurückgebaut, werden mit Erdgas betriebene kleine KWK-Anlagen teilweise als Strom- wie auch als Wärmequelle ausfallen. Auch kurzfristig sind Änderungen des Betriebsmodus von BHKW aufgrund schwankender Gaspreise möglich.

Im Rahmen der kommunalen Wärmeplanung muss die Umstellung der Wärmeversorgung auf CO2-freie Wärmequellen zügig in Angriff genommen werden. Das gilt sowohl für bestehende Fernwärmenetze als für noch aufzubauende Nahwärmenetze

Ähnlich sollte in der langfristigen Planung die zukünftige Strom- und Wärmelieferung aus Biogasanlagen mit nachwachsenden Rohstoffen geprüft werden. Sollte im Strommarktdesign die Erzeugung von Biomethan und dessen Einspeisung in das Stromnetz höher priorisiert und höher vergütet werden, könnte an einigen Anlagen die lokale Wärmeverfügbarkeit sinken. Mittel- und langfristig wird der Anteil der EE-Stromerzeugung mittels Biogas voraussichtlich abnehmen.

9 Quellen

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Impressum

Die Policy Paper-Reihe zur Wärmewende stellt knapp und evidenzbasiert relevante Fakten mit Bedeutung für die Wärmewende dar. Sie richtet sich an politische EntscheiderInnen auf kommunalpolitischer Ebene, aber auch an Akteure aus Wirtschaft, Journalismus und Zivilgesellschaft und die am jeweiligen Thema interessierte Öffentlichkeit.

Dieser Text wurde von Mitgliedern der „Scientists for Future” verfasst und durch Kollegen und Kolleginnen hinsichtlich der wissenschaftlichen Qualität (insbesondere der Belegbarkeit von Argumenten) ausführlich geprüft.

Dieses Projekt wurde unter dem Förderkennzeichen: 372223V284 gefördert durch das Umweltbundesamt und das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz. Die Mittelbereitstellung erfolgt auf Beschluss des Deutschen Bundestages.

Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autorinnen und Autoren.

An der Erstellung dieses Textes waren beteiligt: Huber, Michael; Clausen, Jens; Ehrhardt, Helge; Gerhards, Christoph; Hoffmann, Rana; Klafka, Peter; Köhne, Anja; Linow, Sven; Seifert, Thomas

Endredaktion: F. Ossing

Scientists for Future (S4F) ist ein überparteilicher und überinstitutioneller Zusammenschluss von Wissenschaftler:innen, die sich für eine nachhaltige Zukunft engagieren. Scientists for Future bringt als Graswurzelbewegung den aktuellen Stand der Wissenschaft in wissenschaftlich fundierter und verständlicher Form aktiv in die gesellschaftliche Debatte um Nachhaltigkeit und Zukunftssicherung ein.

Zitiervorschlag: Huber, Michael; Clausen, Jens; Ehrhardt, Helge; Gerhards, Christoph; Hoffmann, Rana; Klafka, Köhne, Anja; Peter; Linow, Sven; Seifert, Thomas (2023). Kraft-Wärme-Kopplung. Von der fossilen Effizienztechnologie zu einer neuen Rolle in der Wärmewende. Policy Paper der Scientist for Future. Berlin.

Veröffentlicht unter CC BY-SA 4.0

Kontakt: kontakt@scientists4future.org

Question 2

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Dieser Text wurde maschinell aus dem PDF Original erzeugt und enthält keine Abbildungen

Wärmenetze

Die klimaneutrale Wärmeversorgung für verdichtete Stadtgebiete

Autor:innen: Clausen, Jens; Graf, Christopher; Huber, Michael; Lottis, Dennis; Seifert, Thomas; Weber, Urban

Inhaltsverzeichnis

Einleitung 4

Kernaussagen 5

1 Was ist eigentlich ein Wärmenetz? 7

2 Warum gibt es in Dänemark so viele Wärmenetze? 9

3 Wie kann man ein konventionelles Wärmenetz auf erneuerbare Energien umstellen? 11

4 Niedertemperatur- und kalte Wärmenetze 15

5 Handlungsfelder der Kommunen: Wärmeplanung und Fernwärmesatzung 17

6 Quellen 20

Einleitung

Unbestritten spielt die Umstellung der Gebäudewärme auf CO2-freie Energiequellen bei gleichzeitiger Umsetzung von Energieeinsparmaßnahmen eine fundamentale Rolle für das Erreichen der Treibhausgas-Neutralität bis 2045. Unbestritten ist auch, dass dafür Wärmenetze in vielen Fällen die optimale Lösung sein werden. So lange der Gaspreis relativ niedrig lag, war der Ausbau von bestehenden Wärmenetzen für Betreiber und Endkunden allerdings angesichts der geringen Anschaffungs- und Brennstoffkosten von Gasthermen für Wohnungen und Einzelgebäude wenig attraktiv. Andererseits erschien auch die Umstellung fossiler Wärmenetze auf CO2-freie Wärmequellen zumindest kurz- und mittelfristig unwirtschaftlich. Nun macht der Überfall Russlands auf die Ukraine jedoch nicht nur auf die Gefahren der Abhängigkeit von importierter Energie aufmerksam, sondern setzt auch durch explodierende Erdgaspreise neue wirtschaftliche Rahmenbedingungen. Bisher weniger bekannte Lösungen der Wärmeversorgung wie die Wärmepumpe kommen so ins Gespräch.

Wärmenetze sind aus mehreren Gründen gerade für die Kommunalpolitik wichtig. Denn zum Ersten stellen sie eine gemeinschaftliche, also quasi kommunale Möglichkeit der Wärmeversorgung dar. Zum Zweiten ist es für die Endkunden besonders vorteilhaft, wenn die Wärmeversorgung durch die Kommune oder in ihrem Auftrag und in ihrem Eigentum betrieben werden. Und zum Dritten bedürfen sie der kommunalen Planung. Hintergrund dafür ist, dass die Rohrleitungen der Wärmenetze zumeist unter öffentlichen Straßen verlegt und daher in der Stadtplanung mitgedacht werden müssen. Hinzu kommt, dass die für die Wärmegewinnung erforderlichen Flächen bereitgestellt werden müssen. Das können, je nach lokaler Verfügbarkeit, Flächen für geothermische Bohrungen, solarthermische Großanlagen, Abfallverbrennungsanlagen oder Großwärmepumpen an Flüssen und Seen sein. All diese Technologien und Anlagen benötigen Standorte, an denen sie errichtet und betrieben werden können. Außerdem gibt es durch die zukünftige kommunale Pflichtaufgabe der Wärmeplanung (Scientists for Future, 2022a) gleich noch eine Schnittstelle zwischen Wärmenetzen und Kommune.

Wärmenetze sind also aus verschiedenen Perspektiven ein Thema der Kommunalpolitik. Kommunalpolitiker:innen, die sich mit Energie und Klimaschutz beschäftigen, können sich in der vorliegenden Broschüre über die Bedeutung von Wärmenetzen für die Energiewende informieren. Aber auch für Sozialpolitiker:innen ist wichtig zu wissen, dass die Wärmeversorgung mit erneuerbarer Wärme in Wärmenetzen aktuell und langfristig preisgünstiger sein dürfte als fossile Energien, zumal die Abkehr von fossilen Brennstoffen sowieso unumgänglich ist.

Darüber hinaus bietet ein Wärmenetz das Potenzial, Wärmequellen und -senken innerhalb eines Stadtteils miteinander zu verbinden und damit beispielsweise Überschusswärme aus gewerblichen oder industriellen Prozessen nutzbar zu machen. Für die energieeffiziente Umsetzung und Integration von erneuerbaren und Überschuss-Wärme bieten sich insbesondere Niedertemperatur-Wärmenetze (40-70 °C Vorlauftemperatur) an, die sich sehr wirtschaftlich betreiben lassen.

Kernaussagen

Wärmenetze spielen in der Wärmeversorgung der Zukunft eine immer größere Rolle. Sie werden erhebliche Teile der verdichteten Wohnbebauung in Innenstädten mit Wärme versorgen. Verschiedene wissenschaftliche Studien sehen zum Erreichen der nationalen Klimaziele eine Verdopplung bis Verdreifachung der bestehenden Trassenkilometer innerhalb der nächsten 20 bis 30 Jahre als erforderlich an (AGFW, 2022). Daher besteht hier unmittelbarer und breitenwirksamer Handlungsbedarf.

Durch Wärmenetze können Wärmepotenziale erschlossen werden, die sonst zur Wärmeversorgung nicht zur Verfügung stehen. Hierzu gehören die Nutzung von Abwärme aus Industrieprozessen oder Rechenzentren, Wärme aus tiefer Geothermie, Wärme aus großen solarthermischen Anlagen, Wärme aus der Verbrennung von Abfall und Klärschlamm und anderes mehr. Diese Wärmepotenziale werden zur Substitution der fossilen Energien aus Erdgas und Heizöl dringend gebraucht.
Wärmenetze machen es möglich, regenerative Wärme von außerhalb in Ortskerne hinein zu bringen. Sie vereinfachen damit die Gewinnung und Nutzung von erneuerbarer Wärme.
Das Beispiel Dänemark zeigt, dass die Wärmeversorgung durch Wärmenetze nicht nur klimafreundlich, sondern auch zu geringeren und stabileren Kosten im Vergleich zu fossilen Energien gewährleistet werden kann. Dies gilt besonders, wenn die Wärmeversorgung gemeinnützig, genossenschaftlich oder kommunal organisiert ist.
Der Aufwand zum Umbau der bereits bestehenden großen Wärmenetze, die heute noch zu 80 % Abwärme aus fossilen Kraftwerken mit Kraft-Wärme-Kopplung nutzen, auf regenerative Wärmequellen wird erheblich sein. Neben der Verbrennung von Reststoffen werden zunehmend Abwärme aus Industrieprozessen und Rechenzentren, Wärme aus Flusswasser, Solarthermie sowie die tiefe und oberflächennahe Geothermie eine Rolle spielen. An vielen Stellen wird das Temperaturniveau dieser Quellen durch Wärmepumpen angehoben werden müssen. Im Gegenzug sollte das gegenwärtig oft sehr hohe Temperaturniveau der Fernwärmenetze sukzessive abgesenkt werden.
Neben großen Fernwärmenetzen wird es auch mehr Quartierswärmenetze und sogenannte „kalte Nahwärmenetze“ geben. Auch sie bieten Potenziale, unkonventionelle Wärmequellen abseits von fossilen Energien oder Strom zu erschließen. Die Stadtplanung muss diese Wärmenetze in der kommunalen Wärmeplanung mitdenken und den Rahmen für sie schaffen.

Wärmeversorgung wird in Zukunft nicht nur Sache der Gebäudeeigentümer:innen sein, die eine Gas- oder Ölheizung kaufen und sich wie selbstverständlich an die Gasversorgung anschließen lassen. Wärmeversorgung wird zunehmend zu einer kommunalen Aufgabe. Die Kommunen müssen die Wärmeversorgung der Zukunft planerisch vorbereiten. Statt sich darauf zu beschränken, wie bisher Lizenzen an Gasnetzbetreiber zu vergeben, werden sie durch eine Wärmeplanung dafür sorgen, dass Wärmenetze auf Basis erneuerbarer Energien dort entstehen können, wo sie sozioökonomisch gegenüber der Einzelversorgung von Gebäuden vorteilhaft sind.

1 Was ist eigentlich ein Wärmenetz?

Ein Wärmenetz ist ein Leitungsnetz, das als Wärmequelle für die Heizungsversorgung der an dieses Netz angeschlossenen Gebäude dient. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten:

● Ein Kaltes Nahwärmenetz stellt Wasser auf einem Temperaturniveau von ca. 5 °C bis 20 °C zur Verfügung. Die angeschlossenen Heizungssysteme der Gebäude müssen mittels eigener Wärmepumpen die Temperatur auf das für das jeweilige Gebäude nötige Temperaturniveau anheben.
● Ein Niedertemperatur-Wärmenetz liefert Wasser mit Temperaturen zwischen 40 °C und 70 °C. Das heißt, Gebäude mit geeigneten Wärmeverteilsystem und ausreichend gutem Dämmstandard können die gelieferte Wärme über Fernwärmeübergabestationen direkt in ihren Heizungskreislauf einspeisen, schlechter gedämmte Gebäude müssen ggfs. saniert werden oder zusätzlich eine eigene Wärmepumpe einsetzen.
● Ein Konventionelles Wärmenetz ist, insbesondere im Fall vieler alter und großer Wärmenetze, auf hohe Vorlauftemperaturen ausgelegt. Das liegt daran, dass die Abwärme der bisher üblichen Kohle- oder Erdgas-Heizkraftwerke problemlos hohe Temperaturen zwischen ca. 80 °C im Sommer und ca. 110 °C im Winter ermöglichte. Zudem sind viele der angeschlossenen Gebäude auf hohe Vorlauftemperaturen des Netzes ausgelegt, und die im Netz benötigte Wärmemenge kann in den vorhandenen Rohren überhaupt nur auf einem hohen Temperaturniveau transportiert werden. Deshalb ist die Umstellung dieser Netze auf niedrigere Temperaturen eine schwierige Aufgabe. Allerdings haben einige Fernwärmeversorger bereits begonnen, ihre bisherigen hohen Vorlauftemperaturen etwas abzusenken.

Wenn Rohre des Wärmenetzes unter der Straße vor einem Gebäude verlegt wurden, kann ein Anschluss erfolgen. Dabei schließt der Eigentümer des Wärmenetzes einen Versorgungsvertrag mit dem Hauseigentümer und verpflichtet sich dazu, die Wärme für das Gebäude zu liefern. Das Wärmenetz kann so zahlreiche Gebäude einer ganzen Stadt oder auch nur ein Quartier mit Wärme für Heizung und Trinkwarmwasser versorgen. Der Aufbau gleicht dem Stromnetz. Das Medium, mit dem die Wärme durch die Wärmenetzrohre an die Gebäude geliefert wird, ist heutzutage meist Wasser.

Die Rohre des Wärmenetzes haben einen größeren Durchmesser als die Heizung in der Wohnung. Abbildung 1 zeigt eine Baustelle zur Verlegung von Rohren mit einem Durchmesser von 25 cm in etwa 2 m Tiefe. Von solchen Leitungen unter der Straße zweigen dünnere Leitungen zu den Gebäuden ab. Im Gebäude fließt das Wasser aus dem Wärmenetz durch eine Fernwärmeübergabestation, welche die Wärme des Wassers aus dem Wärmenetz auf den Heizungskreislauf im Gebäude überträgt. Wärmenetze gibt es seit vielen Jahren. Bis in die Gegenwart hinein wurden sie meist von sogenannten Kraft-Wärme-Kraftwerken gespeist. In vielen solcher Kraftwerke wird Kohle, Öl oder Gas verbrannt und heißer Dampf erzeugt. Dieser treibt eine Turbine zur Stromerzeugung an. Der dort wieder austretende Dampf ist dann immer noch warm genug, um ein Fernwärmenetz zu versorgen. Diese Technik ist nicht zukunftsfähig, denn sie nutzt fossile Energien, wodurch große Mengen CO2 in die Atmosphäre abgegeben werden. Solche Hochtemperatur-Wärmenetze müssen also in den nächsten Jahren auf andere Wärmequellen umgebaut werden, wie sie z.B. für Berlin (Fraunhofer IEE, 2021) oder Hannover (Clausen, 2020) vorgeschlagen wurden. Neue Wärmenetze sollten zur effizienteren Nutzung CO2-freier Wärmequellen (z.B. Wärme aus Abwasser, Flusswasser, Erdwärme oder Solarthermie) mit möglichst niedrigen Vorlauftemperaturen betrieben werden.

2 Warum gibt es in Dänemark so viele Wärmenetze?

Dänemark ist eine Art Musterland der Wärmenetze. Schon in den 1960er Jahren wurden Wärmenetze gebaut, um damit die Abwärme der Kraftwerke nutzen und so das Energiesystem effizienter gestalten zu können. Im Zuge der Ölkrise kam die Motivation hinzu, die Abhängigkeit von Ölimporten zu reduzieren (Johansen & Werner, 2022). Im Jahr 2020 waren landesweit ca. 66 % der Wohngebäude an ein Fernwärmenetz angeschlossen und ca. 55 % des Wärmebedarfs wurde durch Wärmenetze bereitgestellt (Johansen & Werner, 2022). Der Anteil der Wohnungen, die mit individuellen fossilen Öl- oder Gasheizungen beheizt wurden, lag in 1960 bei ca. 90 % und sank kontinuierlich auf heute nur noch knapp 20 %.

Abbildung 2: Anteil des dänischen Wärmebedarfs, der 2020 durch verschiedene Energieträger gedeckt wurde

Quelle: Johansen & Werner (2022), Wohn- und Gewerbegebäude incl. landwirtschaftlicher Gebäude

Auch sozialpolitische Motive unterstützten diesen Weg, weil die Nutzung von Abwärme eine preiswerte Wärmeversorgung ermöglichte. Eine vergleichende Untersuchung von Chittum und Østergaard (2014, S. 471) zeigt, dass die Kosten für das Heizen eines typischen dänischen Eigenheims mit Fernwärme zur Zeit der Untersuchung für ca. 95 % der Häuser die preiswerteste Lösung der Wärmeversorgung war. Gründe hierfür sind die technische Effizienz der Netze, die Kosten der eingesetzten Energiequellen (Dänemark hatte schon damals einen hohen CO2-Preis), wie auch das Geschäftsmodell der unterschiedlichen Fernwärmeanbieter. Öffentliche Betreiber von Wärmenetzen erweisen sich in Dänemark als preiswerter als ihre privatwirtschaftlichen Wettbewerber.

Schwachpunkt der dänischen Fernwärmeversorgung ist, dass Energie nach wie vor fast ausschließlich in Form von Brennstoffen genutzt wird. 45 % der Primärenergie stammt aus Biomasse, von der knapp 80 % importiert werden (Johansen & Werner, 2022). Und auch die über 20 % Wärme aus der Abfallverbrennung werden, wie der hohe Biomasseimport, als nicht nachhaltig kritisiert. In den letzten Jahren wurden aber auch verbrennungsfreie Wärmequellen erschlossen. In schon über 120 Wärmenetzen tragen solarthermische Großanlagen zur Deckung des Wärmebedarfs bei, die größte mit einer Kollektorfläche von 15,7 ha steht in Silkeborg (Georgiev, 2019). Im Ørum Varmeværk in Dänemark stellen eine große Solarthermieanlage und eine 2,5 MW-Umgebungsluft-Wärmepumpe, deren Wärmetauscher über 80 Ventilatoren verfügt, zusammen 93 % der für das lokale Wärmenetz nötigen Wärme bereit (Aalborg CSP, 2022). Auch einige Geothermieanlagen sind schon in Betrieb (Johansen & Werner, 2022).

3 Wie kann man ein konventionelles Wärmenetz auf erneuerbare Energien umstellen?

Die in die großen deutschen Wärmenetze eingespeiste Energie kommt, genau wie in Dänemark, zu einem hohen Anteil aus Verbrennungsprozessen. Der Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e. V. (AGFW e.V., 2021) weist für die angeschlossenen 196 großen Wärmenetze einen Brennstoffeinsatz von 79 % Kohle, Erdgas und Öl sowie weitere 15 % aus der Müllverbrennung aus. 5 % stammen aus Biomasse und nur 1 % kommen aus anderen Energiequellen, u.a. Abwärme. 80 % werden in Kraft-Wärme-Kopplung erzeugt. Im Gegensatz zu Dänemark gehen aber nicht 30 %, sondern knapp 80 % der Wärme auf fossile Energieträger zurück. Bis zur Klimaneutralität in 2045 müssen die großen Wärmenetze also 80 % der verteilten Wärme auf Basis regenerativer Wärmequellen neu erschließen. Wie kann dies ablaufen?

Die Abfallverbrennung ist in Deutschland bereits weitgehend etabliert und erreicht mit 15 % einen ähnlich hohen Wert wie in Dänemark. Die Verbrennung von zusätzlicher Biomasse ist in Deutschland, 40 Jahre nachdem der Trend in Dänemark eingeläutet wurde, keine nachhaltige Perspektive mehr. Nicht nur das Umweltbundesamt warnt seit Jahren vor der Übernutzung von Biomasse (Umweltbundesamt, 2019), auch die Wissenschaft sieht die Perspektive kritisch (Scientists for Future, 2022b) und die Bundesregierung rät im Kontext der kommunalen Wärmeplanung ebenfalls dazu, überregionale Restriktionen bei Biomasse und klimaneutralem Wasserstoff zu beachten (BMWK, 2022).

Eine radikale Alternative zeigt die „Potenzialstudie klimaneutrale Wärmeversorgung Berlin 2035“ des Fraunhofer IEE (2021) auf. Eine erneuerbare Fernwärmeversorgung für Berlin konstruiert diese Studie aus über 80 % Niedertemperatur-Wärmequellen in Berlin und im Berliner Umland, die mit dem Einsatz von Groß-Wärmepumpen erschlossen werden. Die größten lokal nutzbaren Potenziale haben dabei die Abwärme aus Industrieprozessen und Rechenzentren (23,6% der erzeugten Wärme), die Wärme aus Flusswasser (12,9%), die Solarthermie (16,5%) sowie die tiefe (17,9%) und oberflächennahe (12,8%) Geothermie. Auch große saisonale Wärmespeicher sind vorgesehen.

Abbildung 3: Jahreswärmeertrag der Erzeugeranlagen bei der Transformation der Berliner Fernwärme bis 2035

Quelle: Fraunhofer IEE (2021)

Das Berliner Szenario erfüllt die Forderung, auf fossile Energien wie auch auf Biomasse vollständig zu verzichten. Die reale Umsetzung sieht in den meisten Kommunen dennoch anders aus. Im Fall der Landeshauptstadt Hannover dominiert die Verbrennung von Restmüll, Klärschlamm und Altholz mit ca. 40 % der benötigten Wärmemenge immer noch die Planung der zukünftigen Wärmeversorgung, die aber darüber hinaus ebenfalls ein breites Mix an Wärmequellen und vorübergehend auch noch Erdgas erschließt.

Abbildung 4: Jahreswärmeertrag der Erzeugeranlagen bei der Transformation der Hannoveraner Fernwärme bis 2035

Quelle: eigene Abschätzung auf Basis von Pressemitteilungen der enercity AG aus 2019 bis 2022

Während das Berliner Beispiel von einem wissenschaftlichen Institut konzipiert wurde, spiegelt das Beispiel Hannover das Ergebnis eines zweiten Wegs wider: auf Basis einer mehrjährigen Diskussion der Stadtwerke enercity AG mit Politik und Zivilgesellschaft wurde ein Konzept zur Wärmeversorgung unter Vermeidung wirtschaftlichen Risiken entwickelt, bei gleichzeitiger Verpflichtung zur Versorgung mit bezahlbarer Wärme. Die Umsetzung dieses wirtschaftlich-technisch Ansatzes ist in Hannover bis 2026 geplant.

Auch in vielen anderen großen Städten werden gegenwärtig neue Wärmequellen erschlossen. Ausgangspunkt ist dabei oft die Frage, wie fossile KWK-Kraftwerke ersetzt werden können. Für jedes größere Wärmenetz stehen aber andere Wärmequellen zur Verfügung, da sich deren Verfügbarkeit von Ort zu Ort deutlich unterscheidet. Es wird also viele Einzellösungen und kein „One-Size-Fits-All“ geben. Wichtig ist, dabei auch im Auge zu behalten, dass die bisher üblichen Kraftwerke riesige Mengen an Wärme zur Verfügung stellten. Die Potenziale von Abwärmequellen, geothermischen Bohrungen u.a.m. sind dagegen meist deutlich kleiner, so dass jedes alte Kraftwerk durch eine Vielzahl neuer Wärmequellen ersetzt werden muss. Um diese Transformation zu bewältigen, müssen komplexe Transformationsstrategien mit konkreten Meilensteinen erarbeitet werden.

So nutzen beispielsweise die Stadtwerke München das hohe Geothermiepotenzial der Region für ihre Wärmenetze auf relativ niedrigem Temperaturniveau. Im Quartier Freiham speist 90 °C heißes Wasser aus Tiefer Geothermie den Vorlauf eines 60 °C- Wärmenetzes (Stadtwerke München, 2016).

Auch die Einbindung überschüssiger Abwärme wird zukünftig eine wichtige Rolle spielen. Zahlreiche Quellen von Abwärme können genutzt werden: Rechenzentren, Abluft aus U-Bahn-Stationen, Abwärme aus Kühlprozessen in der Industrie oder aus Kühlhäusern und dem Einzelhandel sowie auch Abwasser in Abwasserkanälen und Kläranlagen: Sie alle können je nach Ausgangslage mit oder ohne Wärmepumpe genutzt werden. Fast überall fehlt aber Erfahrung in der Erschließung und Nutzung von Abwärme, so dass potentielle Abwärmequellen oft nicht erkannt und erschlossen werden (Lygnerud et al., 2022).

Averfalk et al. (2021) untersuchten Transformationsstrategien von Wärmenetzen in städtischen Gebieten auf dem Weg hin zu erneuerbarer Wärme. Dabei wird deutlich, dass zur besseren Einbindung von erneuerbaren Wärmequellen die Absenkung der Temperaturen im Wärmenetz hilfreich ist, denn je niedriger die Temperaturen im Wärmenetz liegen, desto mehr Wärmequellen können direkt eingespeist werden. Zudem gilt: falls das Temperaturniveau mit einer Wärmepumpe angehoben werden muss, ist die Arbeitszahl der Wärmepumpe umso besser, je niedriger das Temperaturniveau des Wärmenetzes ist. Eine solche Temperaturabsenkung ist damit langfristig lohnend, denn es werden sowohl Energie als auch Stromkosten gespart.

In großen Bestandsnetzen stellt die Temperaturabsenkung aber eine schwierige und langfristige Aufgabe dar, denn für jedes angeschlossene Gebäude muss geprüft werden, welcher Mindestwert der Vorlauftemperatur erforderlich ist. Reicht die geplante Vorlauftemperatur des Wärmenetzes für die Wärmeversorgung eines Gebäudes nicht aus, muss

entweder durch energetische Sanierungsmaßnahmen der Wärmebedarf reduziert werden oder
durch den Einbau größerer Heizkörper oder von Flächenheizungen eine Wärmeversorgung mit niedrigerer Vorlauftemperatur ermöglicht werden oder
die Wärmeverteilung durch eine digitale Steuerung der Heizungsanlage inkl. eines digitalen hydraulischen Abgleichs so optimiert werden, dass eine niedrigere Vorlauftemperatur zur Beheizung ausreicht.

4 Niedertemperatur- und kalte Wärmenetze

Niedertemperatur-Wärmenetze mit Temperaturen zwischen 40 °C und 70 °C reduzieren die Wärmeverluste, die Belastung der Rohre des Wärmenetzes und erhöhen die Effizienz von Wärmepumpen, die Wärmequellen niedriger Temperatur auf Netztemperatur hochpumpen. Außerdem wird die potenziell nutzbare Menge von Abwärme erhöht. (Schmidt et al., 2017)

Kalte Wärmenetze weisen noch niedrigere Temperaturen auf. Hier wird die Wärme auf niedrigem Temperaturniveau dezentral gewonnen und in ein Netz gespeist, das mit einem Temperaturniveau von 5 °C bis 20 °C betrieben wird. Durch die geringen Temperaturen im Netz sind die Wärmeverluste niedrig. Bei sehr niedrigen Vorlauftemperaturen kann durch das Netz sogar Umgebungswärme aufgenommen werden. Als Wärmequellen können Erdwärme, Abwärme, Abwasser, Solarthermie oder andere Niedertemperatur-Wärmequellen dienen. In den angeschlossenen Gebäuden hebt eine Wärmepumpe das Temperaturniveau auf die Vorlauftemperatur der jeweiligen Heizungsanlage an. Der Vorteil des Systems liegt darin, dass die individuelle Erschließung einer Wärmequelle entfällt. Es muss also nicht neben jedem Haus eine Erdsonde gebohrt oder ein Luftwärmetauscher installiert werden. Zudem ist der Leitungsbau vergleichsweise günstig, da auf eine Isolierung der Rohre verzichtet werden kann.

Niedertemperatur-Wärmenetze oder kalte Wärmenetze können auch als Teilnetze in größere Wärmenetze eingebunden werden. Sie nutzen dann den Wärme-Rücklauf der heißen Netze für Gebäude mit hohem energetischem Standard, die mit niedriger Vorlauftemperatur beheizt werden können. Ein besonders kalter Rücklauf würde wiederum die Chancen verbessern, Wärmeerzeuger wie Solarthermie oder Geothermie in die Netze einzubinden. Es ergäbe sich z.B. folgender Kreislauf:

Der Rücklauf aus dem Wärmenetz wird zunächst durch Nutzung von Niedertemperatur-Wärmequellen (Abwärme eines Rechenzentrums, oberflächennahe Geothermie) und ggf. mithilfe einer Wärmepumpe auf ca. 70 °C erwärmt.
Mit der Abwärme, z.B. einer Müllverbrennungsanlage, wird eine Vorlauftemperatur von 100 °C erzeugt.
Mit dieser hohen Vorlauftemperatur wird ein konventionelles Wärmenetz betrieben, das Bestandsgebäude versorgt, deren Heizung eine sehr hohe Vorlauftemperatur (zumindest bis zu ihrer Sanierung) erfordert.
Der Rücklauf des konventioneller Wärmenetzes (ca. 40 – 50 °C) wird für den Betrieb eines Teilnetzes mit warmem Wasser genutzt, das modernere Gebäude mit geringeren Anforderungen an die Vorlauftemperatur versorgt oder als Wärmequelle für Wärmepumpen dient, die für einzelne Gebäude die Vorlauftemperatur anheben. Der Rücklauf wird hierdurch nochmals deutlich abgekühlt und der Kreislauf startet wieder mit Punkt 1.

5 Handlungsfelder der Kommunen Wärmeplanung und Fernwärmesatzung

Damit ein Wärmenetz seine Funktion zur sicheren Versorgung der Bevölkerung mit preiswerter und umweltfreundlicher Wärme möglichst gut erfüllt, ist es sinnvoll, in einer kommunalen Wärmeplanung eine Wärmewendestrategie zu entwickeln (Scientists for Future 2022a). Darin werden unter anderem Gebiete für die Versorgung mit Fernwärme festgelegt. Ausschlaggebend für die Festlegung dieser Versorgungsgebiete sind der Wärmebedarf pro Flächeneinheit und die Lage etwaiger bereits bestehender Wärmenetze. Je höher der spezifische Wärmebedarf und je dichter existierende Wärmenetze, desto sinnvoller ist die Ausweisung eines Gebietes als Fernwärme-Versorgungsgebiet, vgl. die Darstellung der Versorgungsgebiete durch Fernwärme in Hannover in Abb. 5.

Abbildung 5: Die Versorgungsgebiete der Fernwärmeversorgung in Hannover

Quelle: Landeshauptstadt Hannover (2022)

Innerhalb des Fernwärme-Versorgungsgebiets sind die Details der Versorgung in einer Fernwärmesatzung zu regeln. Insbesondere empfiehlt es sich hier, einen Anschluss- und Benutzungszwang zu verhängen. Eine solche Vorschrift kann so ausgestaltet werden, dass eine defekte Gas- oder Ölheizung nicht mehr einfach ersetzt werden darf, sondern stattdessen ein Anschluss an die Fernwärme erfolgen muss. Ausnahmen sind möglich, wenn z.B. ein Gebäude bereits durch erneuerbare Energien beheizt wird. Auf lange Sicht führt eine solche Vorschrift dazu, dass fast alle Gebäude im Versorgungsgebiet mit Fernwärme versorgt werden. Je mehr Gebäude im Versorgungsgebiet an das Wärmenetz angeschlossen werden, umso geringer sind die anteiligen Verluste und umso effizienter und preiswerter wird die Wärmeversorgung.

Wenn im Zuge der kommunalen Wärmeplanung festgestellt wurde, dass ein Teil des Gemeindegebiets langfristig praktisch nur mit Fernwärme klimaneutral beheizt werden kann, dann sollte in diesen Gebieten ein bestehendes Wärmenetz planmäßig ausgebaut und verdichtet werden. Besteht noch kein Wärmenetz, dann sollte ein solches neu geplant und gebaut werden. Die Koordination mit anderweitig fälligen Tiefbaumaßnahmen ist aus Kostengründen empfehlenswert und notwendig, um die Kosten für den Ausbau der Wärmenetze zu minimieren. Eine Kommunikation mit den betroffenen kommunalpolitischen Gremien, den Einwohner:innen und das Schaffen von Möglichkeiten der Beteiligung sind wesentlich für die Akzeptanz.

Die langjährigen Erfahrungen dänischer Kommunen mit dem Betrieb von Wärmenetzen zeigen, dass es vorteilhaft ist, wenn der Betrieb des Wärmenetzes gemeinnützig, also ohne das Ziel der Gewinnerzielung, erfolgt (Clausen, Benne & Hinterholzer, 2021), denn im Regelfall wird es sinnvoll sein, in der Fernwärmesatzung einen Anschluss- und Benutzungszwang anzuordnen, wodurch der Betreiber des Wärmenetzes praktisch ein Versorgungsmonopol erhält. Ein solches Monopol ist zur Erzielung einer hohen Energieeffizienz des Wärmenetzes und damit auch aus Gründen des Klimaschutzes und der Verantwortung der Gemeinde, für günstige Preise zu sorgen, dringend geboten. Es sollte aber institutionell verhindert werden, dass der Betreiber des Wärmenetzes als Monopolist auf Kosten der Wärmeabnehmer unangemessene Gewinne erwirtschaftet. Hierfür haben sich in Dänemark besonders die Organisation der Wärmeversorgung in Form einer Genossenschaft im Eigentum der Wärmeabnehmenden oder als Gesellschaft im Eigentum der Gemeinde als zweckmäßig erwiesen (Danish Energy Agency, 2012).

Eine weitere vorsorgende Tätigkeit der Gemeinde zur Sicherstellung der Wärmeversorgung besteht darin, die zur Wärmegewinnung nötigen Flächen und Bauplätze in der Flächennutzungsplanung und den Bebauungsplänen auszuweisen.

Abbildung 5: Fläche für Solarkollektoren in Silkeborg in Dänemark

Quelle: Clausen

Was aber ist zu tun, wenn in der Gemeinde ein Wärmenetz zwar zweckmäßig wäre, aber ein Stadtwerk nicht vorhanden ist? Zahlreiche Bioenergiedörfer haben in den letzten Jahren gezeigt, dass die Errichtung einer zentralen Wärmeversorgung und eines Wärmenetzes im ländlichen Raum durchaus möglich ist. Bei diesen Gründungen ist die Rechtsform der Genossenschaft die häufigste vor verschiedenen privatrechtlichen Rechtsformen (Roland & Eigner-Thiel, 2016).

Grundsätzlich erscheint es aber auch möglich, dass eine Gemeinde eine Partnerschaft mit einer Nachbargemeinde eingeht, wenn diese schon über ein Stadtwerk verfügt. Ziel wäre dabei, das Aktivitätsgebiet des bestehenden Stadtwerks auf eine weitere Gemeinde auszudehnen.

6 Quellen

Aalborg CSP. (2022). 2.5MW integrated heat pump system, Denmark. Aalborg CSP. Verfügbar unter: https://www.aalborgcsp.com/projects/district-heating-projects/25mw-integrated-heat-pump-system-denmark

AGFW e.V. (2021). AGFW Hauptbericht 2020. Frankfurt. Verfügbar unter: https://www.agfw.de/zahlen-und-statistiken/agfw-hauptbericht.

AGFW. (2022). Fernwärmenetze im Kontext nationaler Klimaziele: Potenziale für „UrbanTurn“. Frankfurt am Main: AGFW | Der Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e. V. Verfügbar unter: https://www.agfw.de/forschung/urbanturn.

Averfalk, H.; Benakopoulos, T.; Best, I.; Dammel, F.; Engel, C.; Geyer, R. et al. (2021). Low-Temperature District Heating Implementation Guidebook. Final Report of IEA DHC Annex TS2 - Implementation of Low-Temperature District Heating Systems. Kassel.

BMWK. (2022). Diskussionspapier des BMWK: Konzept für die Umsetzung einer flächendeckenden kommunalen Wärmeplanung als zentrales Koordinierungsinstrument für lokale, effiziente Wärmenutzung. Berlin. Verfügbar unter: https://www.bmwk.de/Redaktion/DE/Downloads/Energie/diskussionspapier-waermeplanung.pdf?__blob=publicationFile&v=4

Chittum, A. & Østergaard, P. A. (2014). How Danish communal heat planning empowers municipalities and benefits individual consumers. Energy Policy, 74, 465–474. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2014.08.001

Clausen, J. (2020). Regenerative Wärmequellen. Wärmepotentiale zur Versorgung der Landeshauptstadt Hannover. Berlin: Borderstep Institut. Verfügbar unter: https://www.borderstep.de/publikation/clausen-j-2020-regenerative-waermequellen-waermepotentiale-zur-versorgung-der-landeshauptstadt-hannover-borderstep-institut-hannover-und-berlin/

Clausen, J., Benne, M. & Hinterholzer, S. (2021). Wärmeplanung als Instrument der Wärmewende. Digitale Unterstützung als Schlüssel zur Verbreitung in der Verwaltung. CliDiTrans Werkstattbericht. Berlin: Borderstep Institut. Verfügbar unter: https://www.borderstep.de/publikation/clausen-j-benne-m-hinterholzer-s-2021-waermeplanung-als-instrument-der-waermewende-digitale-unterstuetzung-als-schluessel-zur-verbreitung-in-der-verwaltung-cliditrans-werkstattbericht-b/

Danish Energy Agency. (2012). Varmeprisanalyse. Studie. Kopenhagen: Forsyningstilsynet. Verfügbar unter: https://forsyningstilsynet.dk/media/5192/varmeprisanalyse.pdf

Fraunhofer IEE. (2021). Potenzialstudie klimaneutrale Wärmeversorgung Berlin 20. Berlin. Verfügbar unter: https://www.bund-berlin.de/service/publikationen/detail/publication/potenzialstudie-klimaneutrale-waermeversorgung-berlin-2035/

Georgiev, I. (2019). Case study on Solar-heating plant in Silkeborg, Denmark. Brüssel. Verfügbar unter: https://op.europa.eu/de/publication-detail/-/publication/981d585d-c492-11e9-9d01-01aa75ed71a1

Johansen, K. & Werner, S. (2022). Something is sustainable in the state of Denmark: A review of the Danish district heating sector. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 158, 112117. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112117

Landeshauptstadt Hannover. (2022). Drucksache Nr. 0081/2022 N1: Fernwärmesatzung Hannover. Hannover. Verfügbar unter: https://e-government.hannover-stadt.de/lhhsimwebre.nsf/DS/0081-2022N1.

Lygnerud, K.; Nielsen, S.; Persson, U.; Wynn, H.; Wheatcroft, E.; Antolin-Gutierrez, J.; Leonte, D.; Rosebrock, O.; Ochsner, K.; Keim, C. et al. (2022). Handbook for increased recovery of urban excess heat. ReUseHeat Project, Grant Agreement 767429, European Commission. Verfügbar unter: https://www.reuseheat.eu/wp-content/uploads/2022/09/ReUseHeat-Handbook-For-Increased-Recovery-of-Urban-Excess-Heat.pdf.

Roland, F. & Eigner-Thiel, S. (2016). 10 Jahre Bioenergiedörfer – Ergebnisse einer Metaanalyse von 160 Bioenergiedörfern. Göttingen. Verfügbar unter: http://www.bioenergiedorf.info/fileadmin/user_upload/Schriftenreihe/SR-4_10_Jahre_BED_2017.pdf.

Schmidt, D.; Kallert, A.; Blesl, M.; Li, H.; Svendsen, S.; Nord, N. et al. (2017). Future Low Temperature District Heating Design Guidebook. Final Report of IEA DHC Annex TS 1, Low Temperature District Heating for Future Energy Systems. Kassel und Paris. AGFW-Project Germany und International Energy Agency (IEA DHC|CHP).

Scientists for Future. (2022a). Kommunale Wärmeplanung Grundlage einer klimaverantwortlichen Stadtplanung. Berlin. Verfügbar unter: https://de.scientists4future.org/keypoints-kommunale-waermewende/

Scientists for Future. (2022b). Heizen mit Holz: knapp, teuer und unerwartet klimaschädlich. Berlin. Verfügbar unter: https://de.scientists4future.org/keypoints-kommunale-waermewende/

Stadtwerke München. (2016). Niedertemperaturnetz Freiham-Nord: die richtige Lösung. München. Verfügbar unter: https://www.swm.de/dam/doc/geschaeftskunden/fernwaerme/niedertemperaturnetz-freiham-nord.pdf

Umweltbundesamt. (2019). Wege in eine ressourcenschonende Treibhausgasneutralität. RESCUE - Studie. Dessau-Roßlau. Verfügbar unter: https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/376/publikationen/rescue_studie_cc_36-2019_wege_in_eine_ressourcenschonende_treibhausgasneutralitaet.pdf

Impressum

Die Policy Paper-Reihe zur Wärmewende stellt knapp und evidenzbasiert relevante Fakten mit Bedeutung für die Wärmewende dar. Sie richtet sich an politische EntscheiderInnen auf kommunalpolitischer Ebene, aber auch an Akteure aus Wirtschaft, Journalismus und Zivilgesellschaft und die am jeweiligen Thema interessierten Öffentlichkeit.

Dieser Text wurde von Mitgliedern der „Scientists for Future” verfasst und durch Kollegen und Kolleginnen hinsichtlich der wissenschaftlichen Qualität (insbesondere der Belegbarkeit von Argumenten) ausführlich geprüft.

Dieses Projekt wurde unter dem Förderkennzeichen: 372223V284 gefördert durch das Umweltbundesamt und das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz. Die Mittelbereitstellung erfolgt auf Beschluss des Deutschen Bundestages

Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autorinnen und Autoren.

An der Erstellung dieses Textes waren beteiligt: Clausen, Jens; Graf, Christopher; Huber, Michael; Lottis, Dennis; Seifert, Thomas; Weber, Urban

Endredaktion: F. Ossing

Scientists for Future (S4F) ist ein überparteilicher und überinstitutioneller Zusammenschluss von Wissenschaftler:innen, die sich für eine nachhaltige Zukunft engagieren. Scientists for Future bringt als Graswurzelbewegung den aktuellen Stand der Wissenschaft in wissenschaftlich fundierter und verständlicher Form aktiv in die gesellschaftliche Debatte um Nachhaltigkeit und Zukunftssicherung ein.

Zitiervorschlag: Clausen, Jens; Graf, Christopher; Huber, Michael; Lottis, Dennis; Seifert, Thomas; Weber, Urban (2022). Wärmenetze. Die klimaneutrale Wärmeversorgung für verdichtete Stadtgebiete. Policy Paper der Scientist for Future. Berlin.

Veröffentlicht unter CC BY-SA 4.0

Mehr Informationen unter: www.de.scientists4future.org

Kontakt: kontakt@scientists4future.org

Question 3

Textversion

Accepted Answer

Dieser Text wurde maschinell aus dem PDF Original erzeugt und enthält keine Abbildungen

Wärmepumpen

Die klimaneutrale Wärmeversorgung im Neubau und für Bestandsgebäude

Clausen, Jens; Miara, Marek; Weber, Urban; Seckmeyer, Gunther; Linow, Sven ; Hoffmann, Rana, Huber. Michael

Inhaltsverzeichnis

Einleitung 4

Kernaussagen 5

1 Was ist eigentlich eine Wärmepumpe? 6

2 Wann erzeugt eine Wärmepumpe besonders viel Wärme? 7

3 Wie kann man ein altes Haus mit Wärmepumpe heizen? 8

4 Die 65 Prozent-Vorschrift und die Wärmepumpe 10

5 Was kann die Gemeinde unternehmen? 11

6 Quellen 13

Einleitung

Es ist abzusehen, dass die Wärmepumpe die dominierende Heizungstechnologie der Zukunft sein wird, insbesondere für Gebäude, die nicht an Wärmenetze angeschlossen werden (Bürger, Braungardt & Miara, 2022). Überkommene Heizungstechnologien, die fossile Energieträger nutzen (Heizöl, Erdgas), sind ein Auslaufmodell. Für Biomasse-basierte Heiztechnologien ist nur begrenzt Brennstoff verfügbar und sie sind teilweise mit Feinstaub-Emissionen verknüpft (Scientists for Future, 2022). Wasserstoff wird in der Wärmeversorgung sinnvollerweise nur in KWK-Großkraftwerken für Wärmenetze eingesetzt werden. Photovoltaik und Solarthermie können gut mit Wärmepumpen kombiniert werden. Schon 2024 soll die Wärmepumpe mit Absatzzahlen um die 500.000 Stück p.a. einen Anteil von über 50 % im Markt für Wärmeerzeuger erreichen (BMWK et al., 2022).

Die Herausforderung für alle Beteiligten bei der zukünftigen Wärmeversorgung, von den Herstellern über die Installateure bis zu den Hausbesitzenden, liegt darin, dass für die Wärmepumpe andere Rahmenbedingungen und Anforderungen gelten als für das Heizen mit Erdgas, Heizöl oder Pellets. Eine Reihe von Eigenschaften der Wärmepumpen erscheinen in der Tat zunächst ungewöhnlich und müssen überzeugend erklärt werden:

In Wärmepumpen wird nichts verbrannt. Manche Menschen zweifeln daher daran, dass es mit einer Wärmepumpe warm genug wird.
Eine Wärmepumpe entzieht auch der winterlichen Außenluft wohlige Heizwärme. Viele Menschen hindert das, Vertrauen zu dieser Technologie aufzubauen, weil sie nicht wissen, dass man auch mit kalter Winterluft heizen kann.
Aus Hygienegründen und besonders zur Vermeidung von Legionellen erhitzen wir unser Warmwasser meist auf 60 °C oder mehr. Mit historisch überbrachter Technologie erledigte die klassische Verbrennerheizung das als Nebenfunktion. Beim Einsatz einer Wärmepumpe muss diese entweder auf diese hohen Vorlauftemperaturen ausgelegt werden, was teuer ist, oder die Warmwasserversorgung erfolgt elektrisch mit Kleinthermen und Durchlauferhitzern. Das sind Hausbesitzende, Installateure und Architektinnen und Architekten noch nicht unbedingt gewohnt.
An Luftwärmepumpen, die sich im Winter abtauen, müssen wir uns gewöhnen, denn dieses Abtauen kann eine große Dampfwolke erzeugen.
Moderne Wärmepumpen arbeiten leise. Früher wurde die Geräuschbelastung durch die Außeneinheit oft bemängelt, aber moderne Wärmepumpen haben deutlich geringere Schallemissionen als ältere.
Viele Menschen nehmen an, dass eine Wärmepumpe nur zu einem geringen Teil durch eine Photovoltaikanlage mit Strom versorgt werden könnte. Aber wenn die Photovoltaikanlage nicht zu klein und ein Stromspeicher vorhanden ist, können oft 60 % des Strombedarfs der Heizung selbst erzeugt werden.

Dieses Policy Paper möchte die Wärmepumpen-Technologie näher erklären und informiert darüber hinaus darüber, dass Wärmepumpen nicht nur für Neubauten, sondern auch zur Heizung von Bestandsgebäuden gut geeignet sind.

Kernaussagen

Der russische Überfall auf die Ukraine hat nicht nur die Erdgaspreise in die Höhe getrieben, sondern auch die Diskussion um die aus Nachhaltigkeitsgründen sowieso anstehende Wärmewende in Deutschland massiv in Fahrt gebracht. Neben Gas- und Ölheizung sind jetzt auch regenerative Wärmeerzeuger stärker ins Gespräch gekommen. Hierzu gehört die Wärmepumpe für die Versorgung einzelner Gebäude mit Wärme aus der Umwelt und aus erneuerbar erzeugtem Strom.

Deutschland soll nach dem Klimaschutzgesetz spätestens 2045 klimaneutral sein. Bis dahin müssen alle Öl- und Gasheizungen ersetzt werden. Da Holz und Pellets schon heute knapp sind, wird die Wärmepumpe das dominierende Heizsystem werden. Schon im Jahr 2024 soll jede zweite neu installierte Heizung eine Wärmepumpe sein.
Wärmepumpen können Umweltwärme aus der Luft, dem Erdreich, dem Grundwasser und je nach Verfügbarkeit auch andere Wärmequellen für das Heizen nutzbar machen.
Je nach energetischem Standard des Gebäudes und der Temperatur und Art der genutzten Umweltwärme kann eine Wärmepumpe im Jahresmittel pro Kilowattstunde Strom drei bis vier, unter besonders günstigen Bedingungen auch fünf Kilowattstunden Wärme zum Heizen bereitstellen.
Wärmepumpen arbeiten besonders effizient, wenn die Wärme über Flächenheizungen verteilt wird. Besonders verbreitet ist die Fußbodenheizung. Aber auch Wände und Decken können mit Flächenheizsystemen nachgerüstet werden.
Verzichtet man auf den Anspruch höchster Effizienz, dann zeigen zahlreiche Beispiele, dass sich auch ältere Bestandsgebäude mit Wärmepumpenanlage durch die vorhandenen Heizkörper beheizen lassen. Oft reicht schon der Austausch einzelner Heizkörper für eine erste Optimierung des Heizsystems aus.
Die Ausrüstung zahlreicher Gebäude mit Wärmepumpen zeitgleich zur Verbreitung von Elektroautos wird den Strombedarf in Wohngebieten deutlich erhöhen. Gemeinden sollten darauf hinwirken, dass die Stromnetze rechtzeitig ertüchtigt werden. Die erneuerbare Stromerzeugung muss dabei zügig ausgebaut und auch direkt lokal genutzt werden. (v.a. Photovoltaik und Windkraft).
Wärmepumpen erfordern den Einsatz von Kältemitteln, die früher häufig sehr klimaschädlich waren. Da sich die Freisetzung durch Lecks nie ganz vermeiden lässt, wurde in der EU-Verordnung Nr. 517/2014 vorgeschrieben, dass als Kältemittel in Wärmepumpen künftig nur noch Stoffe mit einem geringen Treibhausgaspotential wie Propan, Butan oder Ammoniak zum Einsatz kommen.
Neben der Wärme sind viele Wärmepumpen auch in der Lage, Kühlung bereitzustellen. Ein wachsender Bedarf an Gebäudekühlung entsteht durch den fortschreitenden Klimawandel, vor allem in den Sommermonaten. Wärmepumpen können also auch dazu beitragen, hitzebedingte Gesundheitsschäden abzumildern.

Wärmepumpen werden gemütliche Raumwärme auch nach dem Ende der Versorgung mit Erdgas und Heizöl sicherstellen können. Bis dahin ist aber viel zu tun.

1 Was ist eigentlich eine Wärmepumpe?

In einer Wärmepumpenanlage kreist ein Arbeitsfluid, oft auch als Kältemittel bezeichnet. Zum Heizen nimmt das Kältemittel Umgebungswärme auf, anschließend wird es verdichtet und dabei insbesondere seine Temperatur erhöht. Dann gibt es diese Wärme an die Heizungsanlage ab und fließt abgekühlt wieder zurück. Die Wärmepumpenanlage basiert auf dem gleichen physikalischen Prinzip wie ein Kühlschrank, nur dass bei diesem der Innenraum nicht beheizt, sondern gekühlt wird. Der Bundesverband Wärmepumpe e.V. (2021) stellt das Funktionsprinzip der Wärmepumpe wie in Abbildung 1 gezeigt grafisch dar

Abbildung 1: Funktionsprinzip der Wärmepumpe

Quelle: nach Bundesverband Wärmepumpe, modifiziert durch Clausen & Hinterholzer (2022)

Durch die Wärmequellenanlage (1) wird die Wärmeenergie der Umwelt (Luft, Erdwärme, Grundwasser) durch ein Kältemittel/Arbeitsfluid entzogen, welches kälter ist als die jeweilige Umgebung. Dadurch wärmt sich das Kältemittel auf. Die Wärmepumpe (2) sorgt mit dem elektrisch angetriebenen Verdichter für die nötige Erhöhung der Temperatur. Den Effekt kennen wir von der Fahrrad-Luftpumpe: Wenn wir damit arbeiten, erhöht sich nicht nur der Luftdruck, sondern die verdichtete Luft wird auch deutlich erwärmt. Das Wärmeverteilsystem (3) mit seinen Heizkörpernverteilt die Wärme im zu beheizenden Gebäude. Nachdem das Kältemittel Wärme an das Wärmeverteilsystem abgegeben hat, wird es auf dem Rückweg wiederum in der Wärmepumpe (4) entspannt und damit weiter abgekühlt. Es kann dann wieder Wärme aus der Umgebung aufnehmen.

Das Prinzip der Wärmepumpe führt dazu, dass mit einem begrenzten Einsatz an elektrischem Strom ein Vielfaches an Wärme aus der Umwelt aufgenommen und genutzt werden kann. Die meisten Wärmepumpen liefern 3- bis 4-mal so viel Wärme, wie sie an Strom verbrauchen. Mit einer Kilowattstunde Strom lassen sich bis zu vier Kilowattstunden Wärme erzeugen. Unter besonders günstigen Bedingungen können es auch bis zu fünf Kilowattstunden sein.

Welche Wärmepumpen gibt es?

Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe entzieht der Umgebungsluft Wärme und gibt diese an ein Warmwasserheizsystem mit Heizkörpern oder Flächenheizung ab.
Eine Sole-WasserWärmepumpe entzieht dem Erdreich oder dem Grundwasser Wärme und gibt diese an ein Warmwasserheizsystem mit Heizkörpern oder Flächenheizung ab. Der Begriff „Sole“ rührt daher, dass für den Wärmeaustausch in der Erdsonde nicht Wasser, sondern wässrige Lösungen mit Frostschutzzusatz verwendet werden.
Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe entzieht i. d. R. dem Grundwasser Wärme und gibt diese an eine Warmwasserheizung mit Heizkörpern oder Flächenheizung ab.
Eine Luft-Luft-Wärmepumpe ist eine zum Heizen eingesetzte Klimaanlage und gibt die Wärme nicht über einen Heizwasserkreislauf ab, sondern durch einen Luftstrom. Das Gebäude braucht daher keine Heizkörper oder Heizflächen.

Die meisten Wärmepumpen lassen sich auch auf den Kühlbetrieb umschalten. Wenn das Wärmeverteilsystem dafür geeignet ist, kann mit der Wärmepumpe im Sommer also auch gekühlt werden. Im Kühlbetrieb pumpt sie die Wärme aus dem Haus heraus. Diese Wärme kann durch Sole-Wasser-Wärmepumpen in eine Erdsondenbohrung eingespeist und gespeichert werden, so dass sie anteilig im nächsten Winter zum Heizen eingesetzt werden kann.

In Neubauten sind Wärmepumpen schon heute das am häufigsten eingesetzte Heizsystem. Dies wird auch so bleiben, denn in Neubauten sind aufgrund des im Sommer 2022 novellierten Gebäudeenergiegesetzes (GEG) ab 2023 nur noch die folgenden drei Heizungssysteme zulässig: Wärmepumpe (Luft, Sole und Wasser), Anschluss ans Fernwärmenetz oder Biomasseheizung. Mit Blick auf immer knapper und teurer werdende Biomasse (Scientists for Future, 2022) dürfte daher der Bedarf an Wärmepumpen noch zusätzlich steigen.

Box: Kältemittel in Wärmepumpen

Die EU-Verordnung Nr. 517/2014 über fluorierte Treibhausgase, kurz F-Gase-Verordnung, schreibt eine kontinuierliche Reduktion des klimaschädlichen Potenzials von Kältemitteln vor. 2020 traten Verwendungsverbote für Kältemittel in Kraft, deren Global Warming Potential (GWP) das 2.500-fache von CO2 (GWP-Wert 1) übersteigt. Ab 2025 werden Kältemittel mit einem GWP von über 750 verboten. Gegenwärtig werden mehr und mehr Wärmepumpen mit dem Kältemittel Propan (GWP-Wert 3) und Ammoniak (GWP-Wert 0) angeboten. Erste Anlagen nutzen auch bereits CO2 (GWP-Wert 1) als Kältemittel. In Zukunft wird also die oftmals angeführte Klimaschädlichkeit des Kältemittels kein Argument gegen Wärmepumpen mehr sein.

Eine interessante Anwendung von Wärmepumpen gibt es in sogenannten „kalten Nahwärmenetzen“. Ein “kaltes Nahwärmenetz” stellt jedem angeschlossenen Gebäude eine Wärmequelle mit einer konstanten Temperatur von ca. 5 bis 20 °C zur Verfügung, die für die Wärmepumpe im Gebäude eine höhere Arbeitszahl ermöglicht als durch eine Luft-Wasser-Wärmepumpe normalerweise erzielt werden kann. Typische Wärmequelle für kalte Nahwärmenetze sind z.B. Flächenkollektorfelder oder Erdsondenfelder. Der Betreiber des gemeinschaftlich betriebenen kalten Nahwärmenetzes kann i. d. R. den energetisch ergiebigsten Platz für das Kollektorfeld bzw. das Erdsondenfeld wählen.

2 Wann arbeitet eine Wärmepumpe besonders effizient?

Die Effizienz einer Wärmepumpe hängt von einer ganzen Reihe von Einflussfaktoren ab. Am wichtigsten ist dabei der Temperaturhub, also die Differenz zwischen der Temperatur der Wärmequelle und der Vorlauftemperatur, die für die Heizung benötigt wird:

Die Temperatur der Wärmequelle: Es ist leicht verständlich, dass aus einem Grundwasserstrom, der ganzjährig Temperaturen von 13 °C aufweist, Wärme leichter herauszuholen ist, als aus kalter Umgebungsluft im Winter. Sole-Wärmepumpen, die die Wärme aus Erdsonden nutzen und Wasser-Wärmepumpen, welche die Wärme aus dem Grundwasser nutzen, erreichen daher meist eine höhere Effizienz als Luftwärmepumpen, die die Heizwärme der Umgebungsluft entnehmen. Je wärmer das genutzte Umgebungsmedium ist, desto effizienter läuft die Wärmepumpe und desto mehr Wärme stellt sie pro Kilowattstunde eingesetzter Elektrizität als Raumwärme bereit. Selbst aus frostiger Winterluft kann Wärme entzogen werden, an besonders kalten Tagen jedoch mit eher niedrigerer Effizienz.

Die Vorlauftemperatur der Heizung: Je geringer die Vorlauftemperatur der Heizung sein kann, desto größer ist der Wirkungsgrad der Wärmepumpe. 35 °C Vorlauftemperatur sind z.B. deutlich günstiger als 50 °C oder gar mehr (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der Zusammenhang von Effizienz und Wärmeübergabesystem

Quelle: Miara (2022), Messdaten von 41 Luft/Wasser Wärmepumpen

Indirekt ist auch wichtig, welches Wärmeübergabesystem eingesetzt werden kann. Eine Flächenheizung erwärmt große Oberflächen und kann einen Raum daher auch mit niedriger Vorlauftemperatur wärmen. Die Heizfläche von herkömmlichen Heizkörpern ist kleiner und kann für eine Wärmepumpenheizung unzureichend sein. Viele Erfahrungen aus der Praxis zeigen aber, dass auch im Altbau nach dem Einbau einiger größerer Heizkörper eine geringere Vorlauftemperatur ausreicht und damit der effiziente Betrieb einer Wärmepumpe möglich ist. Abbildung 2 zeigt, dass Fußbodenheizungen zwar grundsätzlich eine höhere Effizienz ermöglichen, aber auch, dass mit Heizkörpern in vielen Häusern mit Wärmepumpenheizung ähnlich hohe Effizienzen erreicht werden.

Letztlich ist natürlich auch der Energiestandard des Hauses von Bedeutung. Je geringer der Wärmebedarf, desto geringer ist die nötige Vorlauftemperatur und desto höher die Effizienz der Wärmepumpe. Durch energetische Sanierungsaktivitäten spart man mit Wärmepumpe also doppelt, denn es sinkt nicht nur der Wärmebedarf, sondern zusätzlich steigt die Effizienz der Wärmepumpenanlage und auch der Stromverbrauch sinkt.

3 Wie kann man ein altes Haus mit Wärmepumpe heizen?

Auch in Bestandsgebäuden funktionieren Wärmepumpen zuverlässig und auch hier wird die Effizienz maßgeblich von der erforderlichen Vorlauftemperatur der Heizung beeinflusst. Diese wiederum hängt vom spezifischen Heizwärmebedarf und dem Wärmeübergabesystem ab. In Abbildung 3 sind Ergebnisse der Auswertung vieler Praxisbeispiele mit einem Wärmebedarf von bis zu 130 kWh/m2 und mit unterschiedlichen Wärmeübergabesystemen gezeigt.

Abbildung 3: Mittlere Betriebstemperatur der Wärmepumpe im Betriebsmodus Raumheizung über dem spezifischen Heizwärmeverbrauch

[Og1] [Og2] [JC3]

Quelle: Günther et al. (2020)

Es wird deutlich, dass mit steigendem Heizwärmeverbrauch eine tendenziell höhere Vorlauftemperatur erforderlich ist. Das Alter des Gebäudes ist nach den vom Fraunhofer ISE erhobenen Daten dagegen nicht entscheidend (Günther et al., 2020). Die Daten aber zeigen auch, dass ein Umstieg auf Flächenheizsysteme nicht zwangsläufig erforderlich ist, wenngleich ein solcher Umstieg zu niedrigeren Vorlauftemperaturen der Heizung und damit zu einer höheren Effizienz. Auffällig in der genannten Erhebung ist darüber hinaus, dass Anlagen mit Wärmeverteilung über Heizkörper mit recht unterschiedlichen Temperaturen betrieben wurden. Dies liegt u.a. daran, dass einige Heizkörper bei gleichem Platzbedarf wesentlich größere Oberflächen aufweisen, andere durch eingebaute Ventilatoren eine höhere Konvektion erreichen und im Sommer auch zum Kühlen genutzt werden können.

Als Flächenheizung ist die Fußbodenheizung am bekanntesten. Aber auch Wände oder Zimmerdecken können zum Heizen genutzt werden. Hierfür können entweder wasserführende Heizungsrohre direkt in die Wand oder Decke eingebettet werden, oder es wird eine Unterkonstruktion an die Decke oder an der Wand angebracht und anschließend fertige Modulplatten samt Heizrohren eingehängt (CO2-Online, 2022a, 2022b). Die Trockenverlegung mit Unterkonstruktion und Heizmodulen ist dabei auch für die Sanierung von Gebäuden gut geeignet.

Grundsätzlich führt auch jede Absenkung des Heizwärmebedarfs durch Maßnahmen der thermischen Sanierung (Gebäudedämmung) zu einer Absenkung der nötigen Vorlauftemperatur und damit zu einer höheren Effizienz der Wärmepumpenanlage. Wärmepumpenpraktiker empfehlen einen einfachen Test um zu prüfen, ob ein Haus wärmepumpentauglich ist: man senkt einen Winter lang die Vorlauftemperatur auf 55 °C (oder geringer) ab. Wenn es dann nicht zu kalt wird, ist eine Wärmepumpe möglich. Aber auch wenn der 55 °C-Test nicht erfolgreich ist, bieten zahlreiche Hersteller mittlerweile Luft-Wasser-Wärmepumpen mit Vorlauftemperaturen bis zu 70 °C an.

4 Die 65-Prozent-Vorschrift und die Wärmepumpe

Nachdem die Bundesregierung ihre im Sommer 2022 angekündigten Pläne umsetzt hat, soll jede neu eingebaute Heizung ab 1. Januar 2024 mit mindestens 65 Prozent erneuerbarer Energie betrieben werden. Die Bundesregierung fasst Kernaussagen verschiedener Studien und Szenarien für die zukünftig klimaneutrale Wärmeerzeugung wie folgt zusammen (BMWK & BMWSB, 2022):

„Die Reduktion des Wärmebedarfs in Gebäuden ist zentral. Nicht nur das Sanierungstempo, auch die Sanierungstiefe muss am Ziel der Klimaneutralität ausgerichtet werden.
Wärmenetze werden eine wichtige Rolle bei der Wärmeversorgung übernehmen. Mit klimaneutralen Wärmenetzen kann man unterschiedliche erneuerbare Wärmepotenziale kostengünstig erschließen und insbesondere dicht bebaute Gebiete mit erneuerbarer Wärme oder Abwärme versorgen.
Wo möglich, sollte erneuerbare Wärme oder unvermeidbare Abwärme direkt genutzt werden. Insbesondere die Nutzung der Umgebungswärme mit Wärmepumpen spielt in allen Studien und Szenarien eine entscheidende Rolle. Sie wird ergänzt durch geothermische Systeme und Solarthermie und insbesondere in Wärmenetzen durch die Nutzung von unvermeidbarer Abwärme oder Wärme aus allen Tiefebereichen der Geothermie.
Biomasse, grüner Wasserstoff und andere strombasierte synthetische Brennstoffe sind knappe Ressourcen. Sie werden aufgrund einer hohen Nachfrage in anderen Sektoren voraussichtlich auch mittel- bis langfristig teuer bleiben. Grüner Wasserstoff und strombasierte Brennstoffe stehen zudem in den kommenden Jahren noch nicht in nennenswertem Umfang zur Verfügung.“

Nicht nur beim Neubau von Gebäuden, auch beim Ausfall einer alten Heizungsanlage und dem notwendigen Ersatz wird es in Zukunft nur noch gestattet sein, Wärmeversorgungsanlagen einzubauen, die mindestens 65 % erneuerbare Wärme nutzen. Dies geschieht voraussichtlich durch den:

Anschluss an ein Wärmenetz,
Einbau einer Wärmepumpe mit den Wärmequellen Luft, Erdreich oder Wasser,
Einbau einer Biomasseheizung auf Basis von fester oder flüssiger Biomasse,
Einbau einer Gasheizung unter Nutzung von „grünen” Gasen,
Einbau einer Hybridheizung, also z.B. der Kombination von Wärmepumpe und Gasheizung oder den
Einbau einer Stromdirektheizung.

Die deutliche Warnung der Bundesregierung vor Knappheiten bei der Versorgung mit Biomasse, grünem Wasserstoff und anderen strombasierten synthetischen Brennstoffen sowie die Einschränkung der Nutzung einer Stromdirektheizung auf extrem energieeffiziente Gebäude reduziert die verbleibende Auswahl faktisch auf den Anschluss an ein Wärmenetz oder den Einbau einer Wärmepumpe. Als Übergangstechnologie verbleibt zusätzlich in der Zeit bis zum Einstellen der Gasversorgung die Hybridheizung.

Die Klimapolitik der neuen Bundesregierung führt dazu, dass die Wärmepumpe sich als Heizsystem der Zukunft mit sehr hohem Marktanteil etablieren wird.

5 Was kann die Gemeinde unternehmen?

Wärmepumpen sollten auch Gegenstand der kommunalen Wärmeplanung sein. Die Verpflichtung der Gemeinden zu einer solchen Planung ist gegenwärtig in Vorbereitung. Wenn im Zuge der kommunalen Wärmeplanung (Scientists for Future, 2022) festgestellt wird, dass in einem Teil des Gemeindegebiets auch langfristig kein Fernwärmenetz errichtet werden wird, wird sich dort zukünftig die Wärmepumpe als dominierendes Heizsystem durchsetzen. Die Stadt Freiburg i. Br. weist in diesem Sinne z.B. Eignungsgebiete mit einem Fokus auf „Umweltwärme und Wärmepumpen mit erneuerbarem Strom“ aus.

Abbildung 5: Einteilung des Stadtgebiets nach zukünftigen Eignungsgebieten

Quelle: Datengrundlage: Stadt Freiburg (2022), www.freiburg.de, Kartenhintergrund: © Bundesamt für Kartographie und Geodäsie

Während sich die Kommune in den geplanten Gebieten mit Fernwärmeversorgung um die Errichtung und den Betrieb eines Fernwärmenetzes auf Basis regenerativer Energie kümmern muss, sind die Aufgaben in Gebieten außerhalb des Fernwärmegebietes andere: Hier ist sicherzustellen, dass die Stromnetze zur Versorgung einer großen Anzahl von Gebäuden mit Wärmepumpen und für die Elektromobilität ausreichend dimensioniert sind. Wo dies nicht der Fall ist, muss der Netzbetreiber angehalten werden, die Netze rechtzeitig zu ertüchtigen.

Zusätzlich ist es hilfreich, Planungen für energetische Sanierungsgebiete zu beginnen, mit denen die Transformation zur Versorgung mit erneuerbarer Wärme koordiniert für ganze Quartiere erfolgen kann. In solchen Gebieten sollte für die Eigentümer durch eine gemeinsame Planung und besonders günstige Förderbedingungen ein hoher Anreiz entstehen, den jeweiligen Gebäudebestand zukunftsfähig zu gestalten.

Auch bei der Aufstellung kommunaler Wärmepläne sollte überlegt werden, ob unterstützende Planungen für den Bau von Wärmepumpen erfolgen können. So könnte der kommunale Wärmeplan z.B. ausweisen, in welchen Gebieten oberflächennahe Geothermie gestattet bzw. ausgeschlossen ist. Und wo sie gestattet ist, könnte die Planung konkret mit Blick auf kleine Grundstücke in Reihenhaussiedlungen Vorschläge machen, wo Erdsonden platziert werden sollten, um Mindestabstände sicherzustellen und die langfristige Unterkühlung der Sonden zu vermeiden.

6 Quellen

BMWK & BMWSB. (2022). 65 Prozent erneuerbare Energien beim Einbau von neuen Heizungen ab 2024 Konzeption zur Umsetzung. Berlin. Verfügbar unter: https://www.bmwsb.bund.de/SharedDocs/downloads/Webs/BMWSB/DE/veroeffentlichungen/bauen/konzeptpapier-65-prozent-ee.pdf?__blob=publicationFile&v=5

BMWK, BMWSB, BDEW, BEE, BFW, BDH et al. (2022). Gemeinsame Absichtserklärung. Mehr Tempo bei der Transformation der Wärmeversorgung: Wir brauchen schneller mehr Wärmepumpen. Berlin.

Bürger, V., Braungardt, S. & Miara, M. (2022). Durchbruch für die Wärmepumpe. Praxisoptionen für eine effiziente Wärmewende im Gebäudebestand. Freiburg i. Br. Verfügbar unter: https://www.agora-energiewende.de/veroeffentlichungen/durchbruch-fuer-die-waermepumpe/

Bundesverband Wärmepumpe e.V. (2021). Wie funktioniert die Wärmepumpe? www.waermepumpe.de. Zugriff am 6.12.2021. Verfügbar unter: https://www.waermepumpe.de/waermepumpe/funktion-waermequellen/

Bundesverband Wärmepumpe e.V. (2022). Absatzzahlen und Marktanteile. www.waermepumpe.de. Verfügbar unter: https://www.waermepumpe.de/presse/zahlen-daten/

Clausen, J. & Hinterholzer, S. (2022). Wärmepumpenanlagen: Technologie - Wirtschaftlichkeit - Diffusionsfaktoren. Berlin. Verfügbar unter: https://www.borderstep.de/wp-content/uploads/2022/03/Vorstudie-Waermepumpe_20220302.pdf

CO2-Online. (2022a). Deckenheizung: Wärmen und Kühlen von oben. CO2-Online. Verfügbar unter: https://www.co2online.de/modernisieren-und-bauen/heizung/deckenheizungen/#c168279

CO2-Online. (2022b). Wandheizung: Wärme von allen Seiten. CO2-Online. Verfügbar unter: https://www.co2online.de/modernisieren-und-bauen/heizung/wandheizungen/

Günther, D., Wapler, J., Langner, R., Helmling, S., Miara, M., Fischer, D. et al. (2020). Wärmepumpen in Bestandsgebäuden: Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt „WPsmart im Bestand“ (Abschlussbericht). Freiburg i. Br. Verfügbar unter: https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/downloads/pdf/Forschungsprojekte/BMWi-03ET1272A-WPsmart_im_Bestand-Schlussbericht.pdf

Miara, M. (2022). Potenziale und Hindernisse von Wärmepumpen. Gehalten auf der Klimastadt:bauen ! 14. Bremerhavener Bauforum Wärmepumpen am 28.4.2022. Verfügbar unter: https://gruene.berlin/fileadmin/BE/lv_berlin/01_Landesarbeitsgemeinschaften/LAG_Bauen/2022-04-27_Waermepumpen_Potenziale_und_Hindernisse_Miara.pdf

Scientists for Future. (2022). Heizen mit Holz: knapp, teuer und unerwartet klimaschädlich. Berlin. Verfügbar unter: https://de.scientists4future.org/keypoints-kommunale-waermewende/

Scientists for Future. (2022). Kommunale Wärmeplanung Grundlage einer klimaverantwortlichen Stadtplanung. Berlin. Zugriff am 9.11.2022. Verfügbar unter: https://de.scientists4future.org/keypoints-kommunale-waermewende/

Stadt Freiburg i.Br. (2022). Eignungsgebiete Zukunft. Geoportal Freiburg. Verfügbar unter: https://geoportal.freiburg.de/freigis/?Map/layerIds=terrain_3d,buildings_3d,topplus_grau_wmts,alkis_sw_bg,wk_bbl_2020,wk_eig_z&visibility=true,true,true,true,true,true&transparency=0,0,0,0,0,0&Map/center=#

Impressum

Die Policy Paper-Reihe zur Wärmewende stellt knapp und evidenzbasiert relevante Fakten mit Bedeutung für die Wärmewende dar. Sie richtet sich an politische EntscheiderInnen auf kommunalpolitischer Ebene, aber auch an Akteure aus Wirtschaft, Journalismus und Zivilgesellschaft und die am jeweiligen Thema interessierten Öffentlichkeit.

Dieser Text wurde von Mitgliedern der „Scientists for Future” verfasst und durch Kollegen und Kolleginnen hinsichtlich der wissenschaftlichen Qualität (insbesondere der Belegbarkeit von Argumenten) ausführlich geprüft.

Dieses Projekt wurde unter dem Förderkennzeichen: 372223V284 gefördert durch das Umweltbundesamt und das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz. Die Mittelbereitstellung erfolgt auf Beschluss des Deutschen Bundestages.

Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autorinnen und Autoren.

An der Erstellung dieses Textes waren beteiligt: Clausen, Jens; Miara, Marek; Weber, Urban; Seckmeyer, Gunther; Linow, Sven; Hoffmann, Rana; Huber, Michael.

Schlussredaktion: Franz Ossing

Scientists for Future (S4F) ist ein überparteilicher und überinstitutioneller Zusammenschluss von Wissenschaftler:innen, die sich für eine nachhaltige Zukunft engagieren. Scientists for Future bringt als Graswurzelbewegung den aktuellen Stand der Wissenschaft in wissenschaftlich fundierter und verständlicher Form aktiv in die gesellschaftliche Debatte um Nachhaltigkeit und Zukunftssicherung ein.

Zitiervorschlag: Clausen, Jens; Miara, Marek; Weber, Urban; Seckmeyer, Gunther; Linow, Sven; Hoffmann, Rana; Huber, Michael. (2022). Wärmepumpen. Die klimaneutrale Wärmeversorgung im Neubau und für Bestandsgebäude. Policy Paper der Scientist for Future. Berlin.

Veröffentlicht unter CC BY-SA 4.0

Mehr Informationen unter: www.de.scientists4future.org

Kontakt: kontakt@scientists4future.org

Question 4

Diskussionsbeiträge | Factsheets

Accepted Answer

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Von der fossilen Effizienztechnologie zueiner neuen Rolle in der Wärmewende Kraft-Wärme-Kopplung spielt eine wichtige Rolle in der Wärmeversorgung. Aber die heutige Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist ein Auslaufmodell.
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Wärmenetze spielen in der Wärmeversorgung der Zukunft eine wichtige Rolle. Sie werden erhebliche Teile der verdichteten Wohnbebauung in Innenstädten mit Wärme versorgen. Eine aktuelle Studie von Wissenschaftler:innen der Scientists for Future (S4F) zeigt,
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Die klimaneutrale Wärmeversorgungim Neubau und für Bestandsgebäude Wärmepumpen werden die neue Standardtechnologie für Gebäudeheizung. Ein neues Policy Paper der Scientists for Future (S4F) zeigt auf, dass diese Technologie für Neu- wie Altbauten die Basis künftiger Wärmeversorgung sein wird.
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Juli 2022

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Question 5

Materialien zum Weiternutzen

Accepted Answer

Question 6

Multimedia

Accepted Answer

Dr. Gregor Czisch – Politik und Erneuerbare Energien

September 2021

Zum Podcast: Folge #52 – Interviews 4 Future Dr. Gregor Czisch über technische Möglichkeiten und politische Hürden auf dem Weg zur klimaneutralen Energieversorgung
Spotlight-Videos: Verkehrswende

August 2021

Beiträge zum Thema Verkehrspolitik als Gesellschaftspolitik sowie Konzepte wie eine mögliche Verkehrswende aussehen könnte. Zu den Youtube Videos (Playlist)
Spotlight-Videos: Energiewende

August 2021

Beiträge zu den Themen Ein Paris-kompatibles Szenario für Deutschland, Energiespeicher und Power-to-X und globale Energiewende Zu den Youtube Videos (Playlist)
Videoempfehlungen zum Diskussionsbeitrag „Klimaverträgliche Energieversorgung für Deutschland – 16 Orientierungspunkte“

April 2021

Publikationen zu einer künftigen Energieversorgung kommen teilweise zu sehr unterschiedlichen Schlüssen, je nachdem wie stark sie z. B. kurzfristige Kostenaspekte, die in Teilen der Bevölkerung vorhandene Abneigungen gegen Windkraft oder den Klimaschutz priorisieren.
Synthetische Treibstoffe

April 2021

Zum Podcast von S4F DE: Folge #13 Im Gespräch mit Prof. Roland Dittmeyer, Institut für Mikroverfahrenstechnik am KIT.
Dr. Bertrand Piccard (Solar Impulse Foundation) im Gespräch (engl.)

Februar 2021

Zum Podcast: Folge #40 (engl.) – Interviews 4 Future A technical and philosophical conversation with Dr. Bertrand Piccard about building a better world.

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