Ein Beitrag vom Bundesverband Wärmepumpe
Der Einsatz von Wärmepumpen in Privathäusern, Quartieren oder der Industrie ist ein entscheidender Baustein, um die Klimaschutzziele der Bundesregierung und der Europäische Union (EU) zu erreichen. Bislang stammt klimafreundliche Wärme aus Erneuerbaren Energien vor allem aus Bioenergie. Doch deren Potenziale für einen weiteren Ausbau sind begrenzt. Deshalb soll Strom aus Wind und Sonne immer stärker im Wärmesektor eingesetzt werden. Kommunalen und öffentlichen Gebäudeobjekten kommt wegen ihrer Vorbildfunktion eine Schlüsselrolle zu.
In nur 3,4 Prozent der Wohngebäude in Deutschland wird bisher mit Wärmepumpen geheizt – und das obwohl die Kundenzufriedenheit bei dieser Technologie besonders hoch ist (BDEW: Wie heizt Deutschland 2019). Sie gelten als einfach und bequem in der Handhabung. Auch die Sicherheitsstandards sind hoch. Zu guter Letzt besticht die Wärmepumpe durch ihre Umweltfreundlichkeit und ihre zunehmend wichtige Rolle bei der Verwertung von Erzeugungsüberschüssen von Wind- und Solarstrom. Bei Neubauten ist die Wärmepumpe deshalb auch schon sehr beliebt. In fast 40 Prozent der neu errichteten Gebäude werden sie eingesetzt, in Baden-Württemberg und im Saarland sind es sogar schon mehr als die Hälfte .
Funktionsprinzip Wärmepumpe. Quelle: Bundesverband Wärmepume e.V.
Eine Wärmepumpen-Heizungsanlage besteht aus drei Teilen: der Wärmequellenanlage, die der Umgebung die benötigte Energie entzieht; der Wärmepumpe, die die gewonnene Umweltwärme nutzbar macht; sowie dem Wärmeverteil- und Speichersystem, das die Wärmeenergie an die zu temperierenden Orten verteilt oder zwischenspeichert. Mit einer Wärmepumpe ist es möglich, kostenlose Umweltenergie, wie etwa aus dem Erdreich, dem Grundwasser, der Luft oder aus Abwasser zu nutzen. Bei Erdwärmepumpen erwärmt das Erdreich in der Regel eine Wärmeträgerflüssigkeit. Die Flüssigkeit strömt durch Kollektoren circa 1,5 Meter unter der Oberfläche oder durch Erdwärmesonden in bis zu 100 Meter Tiefe. Schon in nach zehn Metern Tiefe sind jahreszeitenunabhängig konstant 10-13 Grad verfügbar. Die Wärmepumpe entzieht dem aufgewärmten Wasser die Energie. Durch die Verdichtung eines Kältemittels, welches schon bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft entstehen die gewünschten Temperaturen zum Heizen der Wohnräume. In einem Warmwasserspeicher oder einem Pufferspeicher kann die Wärme über einen längeren Zeitraum gespeichert werden. Die Technologie benötigt lediglich einen geringen Anteil an elektrischer Energie, um den Heiz- bzw. Kühlvorgang anzutreiben. Aus einer Kilowattstunde Strom kann die Wärmepumpe ein Vielfaches an Wärmeenergie erzeugen. Mit dem wachsenden Anteil Erneuerbarer Energien im Strommix wird sie in Zukunft immer umweltfreundlicher. Die Haltung, dass Strom zu kostbar sei, um daraus Wärme zu gewinnen, kann deshalb mittlerweile als überholt gelten.
In öffentlichen und kommunalen Gebäuden – wie Rathäusern, Kindergärten, Schwimmbädern, Feuerwachen usw. – bestehen noch große Potenziale. Denn hier ist der Wärme- und Energiebedarf vergleichsweise hoch. Gleichzeitig bieten diese Liegenschaften oft große Flächen zur Installation von Photovoltaik-Anlagen, die sich effizient mit einer Wärmepumpe kombinieren lassen. Auch in Wärmenetzen kann sich der Einsatz von Wärmepumpen lohnen. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten: Eine leistungsstarke Großwärmepumpe bereitet die Wärme zentral auf und gibt diese anschließend über Leitungen an die einzelnen Haushalte ab. Diese Methode entspricht der klassischen Nahwärme. Eine weitere Möglichkeit ist die kalte Nahwärme, bei der die Wärme zunächst dezentral aus unterschiedlichen Wärmequellen gewonnen wird und auf niedrigem Temperaturniveau mit geringen Energieverlusten an die einzelnen Haushalte geleitet wird. Erst am Ort des Verbrauchs heben die Wärmepumpen das Wasser auf ein zum Heizen geeignetes Temperaturniveau. Doch Wärmepumpen eignen sich nicht nur zum Heizen, sondern können auch umgekehrt einzelne Wohnhäuser, ganze Wohnquartiere und Siedlungen klimatisieren – was in Zeiten der Klimaerwärmung mit langen und heißen Sommern (auch in Deutschland) zunehmend an Bedeutung gewinnt.
Nachhaltige Wärmenetze. Quelle: Bundesverband Wärmepumpe e.V.
Der Einbau von Wärmepumpen, sowie die Planung und Verwirklichung von Wärmeinfrastruktur (Wärmenetze) wird staatlich durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) gefördert.
Für eine nachhaltige Wärmeversorgung braucht es neben der deutlichen Verringerung des Wärmeverbrauchs einen Mix aus Erneuerbaren Energien, um den Wärmebedarf ohne fossile Rohstoffe zu decken. Hierbei kann die Solarthermie eine wichtige Rolle übernehmen und als Ergänzung zu anderen Technologien dienen.
Individuelle Solarthermie-Anlagen sammeln die Solarwärme auf dem Hausdach für Warmwasser und Raumwärme. Sie greifen üblicherweise auf einen mit Wasser gefüllten Pufferspeicher zurück. Schließlich wird die meiste Wärme gerade dann benötigt, wenn die Sonne nicht mit aller Kraft scheint, also morgens und abends sowie an kalten Tagen. Damit solare Wärme einen hohen Anteil des Wärmebedarfs der Bewohner*innen decken und Erdöl und Erdgas auch im Winter ersetzen kann, muss die Wärme langfristig gespeichert werden.
Derzeitig sind mehr als 90 Prozent der Solarthermieanlagen auf Dächern von privaten Wohnhäusern installiert. Großflächige Solarthermieanlagen können aber im Sommer bereits einen Großteil der relativ geringen Wärmenachfrage in kommunalen Wärmenetzen abdecken. In Verbindung mit großvolumigen Wärmespeichern und Wärmenetzen kann die Solarthermie deutlich höhere Deckungsbeiträge erzielen als in der gebäudeindividuellen Anwendung. Auch die Wärmegestehungskosten von großen Anlagen sind gegenüber Kleinanlagen auf Hausdächern niedriger.
Eine effiziente Kombination von erneuerbaren Technologien in Nahwärmenetzen kann beispielsweise durch Solarthermie und Bioenergie erreicht werden. Biomasseanlagen zur Verbrennung fester Biomasse für die thermische Nutzung sowie Kraft-Wärme-Kopplungs-Biomasseanlage können die grundlegende Wärmeversorgung bereitstellen, während die Wärme der Solarthermie zu bestimmten sonnenreichen Zeiten eingespeist wird.
Die Kombination von Biomasse und Solarenergie in eine Wärmenetz bringt jedoch höhere Investitionskosten mit sich. Dem stehen mehrere Vorteile gegenüber: Ergänzt eine Solaranlage eine Bioenergieanlage, kann das den Bedarf an Biomasse senken. Das sorgt für eine Senkung der Betriebskosten.
Erneuerbare Quartierlösung für Strom und Wärme. Quelle: AEE
Die Gemeinde Büsingen in Baden-Württemberg erweitere im Jahr 2013 die kommunale Energieerzeugung durch eine große Solarthermieanlage. Die Anlage ist knapp über 1.000 Quadratmeter groß und speist das Nahwärmenetz, das die Gemeinde mit 1.300 Einwohner*innen mit klimafreundlicher Wärme versorgt. Die Solarthermieanlage ergänzt ein bestehendes Hackschnitzelheizwerk mit einer Leistung von 1,40 MW. Mit der Bioenergie-Solarthermie-Kombianlage können rund 450.000 Liter Heizöl und 1.200 Tonnen CO2 jährlich eingespart werden. Auch zwei Wärmespeicher mit der Kapazität von je 50.000 Litern Warmwasser unterstützen die Versorgung. So ist es möglich, dass im Sommer die Solarthermieanlage das Heizen mit Holz entlastet. Das vermeidet unwirtschaftliche Teillastbetriebszustände und senkt den Holzverbrauch.
Ein Beitrag von Deutsches Pelletinstitut GmbH
In der Energiewende im Wärmesektor müssen Städte, Gemeinden und Landkreise flächendeckend eine Vorreiterrolle einnehmen. Moderne, automatische Holzheizungen sind zur Wärmeversorgung öffentlicher Gebäude prädestiniert. Die klimaneutrale Verbrennung ermöglicht eine kostengünstige Reduzierung von CO2-Emissionen in einem Maße, wie dies mit keiner anderen energetischen Maßnahme im Gebäude erzielbar ist. Die Verfügbarkeit an Resthölzern aus Sägewerken oder bei der Holzernte, die zur Herstellung von Pellets und Hackschnitzeln benötigt werden, ist in Deutschland sehr hoch. Viele Kommunen und auch Landkreise sind selbst Waldbesitzer.
Järliche CO2-Einsparung beim Umstieg von einem Öl-Niedertemperaturkessel. Quelle: Deutsches Pelletinstitut GmbH
Holzpotenzial für den Ausbau von Pelletfeuerungen. Quelle: Deutsches Pelletinstitut GmbH
Im ersten Quartal 2020 wurde die 500.000ste Pelletfeuerungen in Deutschland installiert. Mit ihrem breiten Einsatzspektrum finden die Anlagen gleichermaßen im Neubau wie im Gebäudebestand, als Kaminofen oder als Zentralheizung in Ein- und Zweifamilienhäusern oder in Nichtwohngebäuden Anklang. Auch bei höherem Wärmebedarf hat sich die Pellettechnik am Markt bewährt und kommt in kommunalen Gebäuden und Gewerbebetrieben, Mietshäusern und in Nahwärmenetzen sowie in Großanlagen zur Prozesswärmeerzeugung zum Einsatz. Sogar in der Fußballbundesliga sind sie schon angekommen: Die Rhein-Neckar-Arena Sinsheim wird mit Pellets beheizt.
Als Vorreiter beim Klimaschutz setzen auch viele Kommunen bei der Beheizung von Schulen, Kitas, Schwimmbädern oder auch im Wohnungsbau bereits auf Holzpresslinge – häufig in kleinen bis mittelgroßen Nahwärmenetzen, in die auch Wärme aus anderen erneuerbaren Energien wie Wärmepumpen oder Solarthermie eingespeist wird.
Der vollautomatische Betrieb der Heizanlagen sichert einen gleichermaßen komfortablen wie effizienten und emissionsarmen Betrieb – der durchaus mit fossilen Heizsystemen vergleichbar ist. Die Kombination moderner, vollautomatisch betriebener Feuerungstechnik mit einem standardisierten, zertifizierten Energieträger (ENplus) bildet hierfür die Grundlage. Der Betrieb von Pelletfeuerungen ist einfach und – anders als bei Holzhackschnitzeln – auch von nicht geschultem Personal zu handhaben. Der Platzbedarf für Pelletheizungen entspricht ungefähr dem von Ölheizungen, sowohl für den Aufstellraum der Heizung als auch für das Lager.
Die Belieferung erfolgt oftmals vom gleichen Energiehändler, bei dem vorher das Heizöl bestellt wurde. Pellets werden mit ähnlichen Tankfahrzeugen angeliefert und auch mit Druckluft in das Lager des Kund*innen eingeblasen. Mit ihren niedrigen Staubemissionen sind Holzpellets auch im städtischen Umfeld geeignet. So betreibt die baden-württembergische Landeshauptstadt Stuttgart, wo Feinstaubalarm alltäglich ist, bereits mehr als zehn Pelletfeuerungen in kommunalen Gebäuden.
Pellets Lieferung. Quelle: Deutsches Pelletinstitut GmbH
Die Wirtschaftlichkeit von modernen Holzheizsystemen ist ein großer Vorteil dieser Anlagen. Die Preise für Pellets und Hackschnitzel, die als heimische Energieträger in großem Umfang lokal und regional verfügbar sind, bewegen sich dauerhaft auf niedrigem Niveau. In den letzten zehn Jahren waren Pellets im Schnitt rund 30 Prozent günstiger als Heizöl und 25 Prozent günstiger als Erdgas. Seit 2020 gibt es staatliche Direktzuschüsse für erneuerbare Heizungen in Höhe von bis zu 45 Prozent der Kosten. Das auch für Kommunen nutzbare Marktanreizprogramm macht damit automatische Holzheizungen vom ersten Betriebstag an rentabel.
Brennstoffkostenentwicklung von Öl, Gas und Pellets. Quelle: Deutsches Pelletinstitut GmbH
Für einen störungsfreien, emissionsarmen und effizienten Heizbetrieb sind neben hochentwickelter Anlagentechnik vor allem qualitätsgesicherte Brennstoffe notwendig. Die ENplus-Zertifizierung für Pellets, Hackschnitzel und Holzbriketts sichert die Qualität von der Produktion bis zur Anlieferung.
Um sicherzustellen, dass es sich auch bei Ausschreibungen um ENplus-zertifizierte Brennstoffe handelt, stellt das Deutsche Pelletinstitut (DEPI) unter www.depi.de eine Ausschreibungsvorlage zur Verfügung.
ENplus-zertifizierte Brennstoffe. Quelle: Deutsches Pelletinstitut GmbH
Der derzeitige Austausch veralteter und mit fossilen Brennstoffen betriebenen Heizsysteme durch solche auf Basis der Erneuerbaren Energien, die sogenannte Wärmewende, wird in der Hauptsache durch biogene Brennstoffe und Wärmepumpen vorangetrieben. Der Anteil der Bioenergie an der Wärme aus Erneuerbaren Energien beläuft sich auf ungefähr 86 Prozent (Stand 2018). Den größten Teil macht dabei die feste Biomasse aus. Holz wird in Form von Pellets, Hackschnitzeln oder Scheitholz genutzt. Neben der festen Biomasse spielt die Nutzung von Biogas eine wichtige Rolle bei der Wärmewende in Deutschland.
Biogas-Anlage. Quelle: AEE
Wichtig sind zudem die vielen landwirtschaftlichen Biogasanlagen in ganz Deutschland, die bei der Stromerzeugung anfallende Abwärme selber nutzen und in Wärmenetze vor Ort einspeisen oder das Biogas über Gasleitungen zu weiter entfernten Verbrauchern transportieren können. Pflanzen und Reststoffe können über die Umwandlung zu Biogas als Energiequelle für die Strom- und Wärmeproduktion oder sogar über die weitere Veredlung zu Biomethan als Erdgasersatz in Kraftwerken und Motoren dienen. Zudem hat Biogas den Vorteil, dass es speicherbar ist und so ideal die fluktuierende Stromerzeugung aus Wind und Sonne ergänzen kann. Wie genau dieses so vielfältig einsetzbare Biogas produziert wird und welche Möglichkeiten zur Energieerzeugung es bietet, wird in der obigen Grafik sowie in der folgenden Animation dargestellt.
Der Wechsel zu einem 100 Prozent-Biogas-Tarif bietet den schnellsten Weg zur Wärmewende – vorausgesetzt die eingesetzte Energie geht nicht zu stark durch eine unsanierte Außenhülle verloren. In den letzten Jahren sind gerade durch Biogas-Anlagen im ländlichen Raum neue Wärmenetze entstanden. Dabei wird in einem Blockheizkraftwerk das Biogas verstromt und die anfallende Wärme dann über die Wärmenetze verteilt. Neben dem Blockheizkraftwerk muss das Wärmenetz verlegt und Hausübergabestationen bei den angeschlossenen Verbrauchern installiert werden. Eine gemeinschaftliche Nutzung ist effizient und günstiger. Falls auch ein gemeinschaftlicher Wärmespeicher errichtet wird, ergeben sich ähnliche Vorteile wie beim Pufferspeicher für die Einzelfeuerungsanlagen. Durch die gesteigerte Größe des Speichers ist auch eine effizientere Einbindung von solarthermischen Anlagen und Wärmepumpen möglich. Ein solcher Speicher wird saisonaler Wärmespeicher genannt, da er die überschüssige Wärme der Sommermonate für kalte Wintertage vorhält.
Biogas wird künftig flexibel auf das wetterabhängige Angebot von Solar- und Windstrom reagieren. In früheren Fassungen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) wurde ein „Grundlast“-Betrieb angereizt, das heißt eine konstante Fahrweise mit gleichmäßiger Stromerzeugung. Stattdessen laufen Biogas-Blockheizkraftwerke (BHKW) künftig verstärkt bedarfsgerecht. Dieselbe Menge Biogas wird nicht mehr rund um die Uhr verstromt, sondern dank größerer Kapazität bei hoher Nachfrage. Gefragt ist jetzt das schnelle Hoch- und Herunterfahren in Abhängigkeit von Strommarkt und Stromnetz. Voll flexibilisierte Biogas-Anlagen verfügen über bis zu fünf BHKW und können zudem mit Biogas- und Wärmespeichern ausgestattet sein. Dies erlaubt eine sehr dynamische Fahrweise, die selbst auf kleine Veränderungen der Netz- oder Marktsituation flexibel reagieren kann.
Biogas auf dem Weg zum flexiblen Strom- und Wärmeangebot. Quelle: AEE
Das Nahwärmenetz im Ortsteil Gussenstadt bezieht seine Rohstoffe von lokalen Landwirt*innen. Dabei kommen je nach Jahreszeit unterschiedliche Stoffe zum Einsatz.
Geothermie (Erdwärme) ist die Wärmeenergie, die unterhalb der festen Oberfläche der Erde gespeichert ist. Mittels Geothermie wird also Erdwärme genutzt, um Strom, Wärme und Kälteenergie zu gewinnen. Bei der Nutzung von Geothermie wird zwischen oberflächennaher Geothermie und Tiefengeothermie unterscheiden: Bei der oberflächennahen nutzen Wärmepumpen die Wärme aus der Umwelt oder aus dem Erdreich und heben sie mithilfe von Strom auf ein höheres, zum Heizen nutzbares Niveau. Tiefe Geothermie nutzt teilweise über 100 Grad Celsius heißes Wasser aus 400 bis 5.000 Metern Tiefe. Das Thermalwasser wird bis an die Oberfläche in die Heizzentrale gepumpt. Die thermische Energie wird über einen Wärmetauscher an ein Wärmenetz abgegeben. Das abgekühlt Wasser wird wieder in das Erdreich zurückgeleitet.
Erdwärmekraftwerke mit einer Leistung ab zehn Megawatt können über Fernwärmenetze ganze Gemeinden oder Stadtteile versorgen. Sie benötigen eine hohe Zahl an Wärmekunden, um wirtschaftlich arbeiten zu können. Die für die Nutzung am besten geeigneten Gebiete Deutschlands befinden sich im Oberrheingraben, im voralpinen Molassebecken sowie im norddeutschen Becken.
Hydrothermale Geothermie. Quelle: AEE
Die Geothermie hat viele Vorteile: Im Betrieb verursacht sie keine Treibhausgasemissionen und ist immer verfügbar. Die Energiequelle aus dem Erdreich ist nach menschlichem Ermessen unerschöpflich. Das theoretisch verfügbare Potenzial aus Geothermie würde ausreichen um den gesamten Energiebedarf über hunderte von Jahren zu decken. Das Büro für Technikfolgen-Abschätzung (TAB) beim Bundestag hat ausgerechnet, dass in Deutschland mit der verfügbaren Technik 312 Milliarden Kilowattstuden pro Jahr genutzt werden könnten. Das entspricht mehr als der Hälfte der gesamten Stromerzeugung in Deutschland. Der beschränkende Faktor ist nicht technisch bedingt, sondern wirtschaftlich. Grund dafür sind die noch hohen Investitionskosten. Denn die Explorationsmaßnahmen und Bohrungen sind aufwändig. Außerdem begrenzen bereits genutzte Flächen, wie Siedlungen und Infrastruktur sowie und Natur- und Wasserschutzgebiete den Ausbau.
In Deutschland sind aktuell 37 Tiefengeothermieprojekte in Betrieb. Diese gewinnen vor allem thermische Energie für Wärmenetze. Insgesamt erzeugen sie 1,2 Milliarden Kilowattstunden Wärme pro Jahr. Tiefengeothermie macht bisher erst knapp ein Prozent der aus Erneuerbaren Energien erzeugten Wärme aus.
Ein Beitrag vom Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e.V. (AGFW)
Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist die Technologie zur effizienten und klimafreundlichen Versorgung von Kommunen und Quartieren mit Strom und Wärme. Damit kommt der KWK eine zentrale Bedeutung für die kommunale Wärmewende zu.
Kraft-Wärme-Kopplung ist die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme und dabei nicht von bestimmten Energieträgern abhängig. Heute erfolgt die Erzeugung überwiegend mit fossilen Energieträgern, wobei Erdgas den größten Anteil hat, gefolgt von Stein- und Braunkohle. Es werden aber bereits nicht-fossile Energieträger wie Müll, Biomasse und Biogas eingesetzt. In Zukunft wird sich der Brennstoffmix zunehmend klimaneutral entwickeln, unter anderem durch die Nutzung von Wasserstoff und synthetischem Gas. Die KWK kann zudem nicht nur bei der Verbrennung von fossilen oder erneuerbaren Brennstoffen in einem (Block-)Heizkraftwerk, sondern auch bei der „kalten Verbrennung“ in einer Brennstoffzelle und mit Erneuerbaren Energien wie etwa Geothermie genutzt werden.
Wichtigster Vorteil der KWK ist ihre wesentlich höhere Energieeffizienz gegenüber der ungekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme in reinen Kraftwerken und Heizwerken bzw. Heizkesseln: KWK-Anlagen erreichen einen Gesamtwirkungsgrad von über 90 Prozent. Da die Steigerung der Energieeffizienz ein wesentlicher Bestandteil der Energiewende ist, macht dies die KWK zu einer zentralen Technologie der Wärmewende. Durch die effizientere Brennstoffausnutzung sinken der Brennstoffbedarf und damit die freigesetzten Treibhausgasemissionen deutlich. Auch bei begrenzt verfügbaren Ressourcen wie Geothermie ist ein höherer Ausnutzungsgrad möglich.
KWK-Anlagen gibt es in verschiedenen Größenordnungen und Varianten: Von Nano-, Mikro- und Mini-Blockheizkraftwerken (BHKWs) mit weniger als 50 Kilowatt Leistung über mittelgroße und große BHKWs mit einigen Megawatt Leistung bis hin zu mittelgroßen und großen Heizkraftwerken (HKWs) mit mehreren Hundert Megawatt Leistung. Bei BHKWs dominieren Verbrennungsmotoren, gerade bei kleineren BHKWs kommen aber auch Stirlingmotoren, Dampfmotoren und Brennstoffzellen zum Einsatz. In HKWs werden entweder (mehrere) Gasmotoren oder Turbinen genutzt. Bei letzteren sind Entnahmedampfturbinen, Gegendruckturbinen, Gas- und Dampfturbinen (GuD) sowie Gasturbinen mit Abhitzekessel zu unterscheiden.
Bei der Kraft-Wärme-Kopplung werden sowohl Strom als auch Wärme erzeugt. Quelle: Umweltbundesamt, CC BY-NC-ND 4.0
KWK-Anlagen werden sowohl in der öffentlichen Versorgung als auch in der Industrie eingesetzt, die erzeugte Wärme wird für Heizzwecke oder als Prozesswärme genutzt. Je nach Größe und Standort der Anlage kann die Heizwärme direkt im Gebäude oder über Fernwärmenetze zur Versorgung von mehreren Gebäuden genutzt werden. Dabei dient die KWK als Rückgrat der Fernwärmeerzeugung: Etwa 80 Prozent der Fernwärme in Deutschland wird in KWK-Anlagen erzeugt. Damit leistet das System aus KWK und Fernwärme einen zentralen Beitrag für Energieeffizienz, Klimaschutz sowie Versorgungssicherheit.
Darüber hinaus trägt die KWK als Schlüsseltechnologie der Sektorkopplung wesentlich zur Flexibilisierung des Energiesystems bei: KWK-Anlagen können, kombiniert mit Strom- und Wärmespeichern, elektrischen Wärmeerzeugern und Wärmepumpen sowie Erneuerbaren Energien und Abwärme, flexibel auf die unterschiedliche Nachfrage im Strom- und Wärmemarkt reagieren.
Brennstoffzellen können eine wichtige Funktion in der dezentralen Energiewende spielen. Arbeiten sie stromgeführt, so können viele kleine Anlagen in den Heizungskellern von Privathaushalten oder in kommunalen Liegenschaften über eine zentrale Steuerung zusammen mit Erneuerbaren Energien zu einem virtuellen Kraftwerk zusammengeschaltet werden.
Einbindung einer Brennstoffzellen-Heizung in ein virtuelles Kraftwerk. Quelle: AEE
Die KfW fördert mit ihrem Programm 433 „Energieeffizient Bauen und Sanieren – Zuschuss Brennstoffzelle“ den Einsatz der Technologie nicht nur in Privathaushalten, sondern auch Kommunen und kommunale Unternehmen können eine Förderung beantragen. Die Mindestleistung liegt bei 0,25 Kilowatt elektrisch (kWel), die maximale Leistung bei 5,0 kWel. Neben dem Heizungssystem selbst wird auch die Beratung einen Energieberater*innen gefördert. Der Investitionszuschuss lässt sich zusätzlich mit der KWK-Vergütung kombinieren.
Die Verbandsgemeinde Sprenglingen-Gensingen in Rheinland-Pfalz setzt auf dem Weg zur „Null-Emissions-Gemeinde“ auf Wasserstoff in kommunalen Gebäuden. Im Feuerwehrgerätehaus und in einem Multifunktionsgebäude wurden Brennstoffzellen-Heizungen eingebaut. Sie erzeugen jeweils etwa 13.000 Kilowattstunden pro Jahr. Noch handelt es sich dabei um ein Leuchtturmprojekt. Einige Aspekte sind noch zu optimieren. So wird der Wasserstoff aktuell noch aus Erdgas gewonnen. Die Energiegewinnung ist deshalb nicht klimaneutral. Auch reicht die erzeugte Wärme nicht aus, um den gesamten Bedarf des Multifunktionsgebäudes inklusive des Kindergartens zu decken.
Die Gemeinde Saerbeck in Nordrhein-Westfalen hat im Keller des Rathauses eine Brennstoffzelle mit 1,5 kW installiert. Von den 37.000 Euro Investitionsvolumen musste die Gemeindekasse nach Abzug der Fördergelder nur knapp 21.000 Euro stemmen. Die Brennstoffzelle deckt 30 Prozent des Strombedarfs von 44.000 kWh pro Jahr. Dadurch will die Gemeinde als gutes Beispiel vorangehen und ihre Vorbildfunktion bei Investitionen in Zukunftstechniken ausfüllen.
Der Industriesektor in Deutschland ist ein großer Energieverbraucher: knapp 30 Prozent des Endenergieverbrauchs gehen auf das Konto der Industrie. Etwa zwei Drittel des industriellen Endenergieeinsatzes entfallen auf Prozesswärme, die notwendig ist, um Produkte herzustellen, weiterzuverarbeiten oder zu veredeln. Bisher werden erst fünf Prozent der industriellen Prozesswärme aus Erneuerbaren Energien zur Verfügung gestellt, während der Großteil auf der Verbrennung von den fossilen Energieträgern Kohle und Gas basiert. Der Bedarf an Prozesswärme ist in den vergangenen Jahren unverändert geblieben und unterlag lediglich konjunkturellen Schwankungen.
Neben niedrigen Öl- und Gaspreisen hemmen sowohl die relativ langen Amortisationszeiten die Investitionen in Erneuerbare Energien in der Industrie, als auch bauliche und technische Gegebenheiten. Darüber hinaus fehlt das Wissen über konkrete Umsetzungsmöglichkeiten und Scheu vor der Komplexität und dem Planungsaufwand, während viele Unternehmen verhalten sind, in bereits bestehende, funktionierende Prozesse einzugreifen. Dabei gilt es, die Vorteile für die Industrie bei der Nutzung von Erneuerbaren Energien in der Prozesswärme zu betonen: So wird die Unabhängigkeit von Rohstoffimporten erhöht und die Klimabilanz der Betriebe verbessert. Zudem stellen sich gleichzeitig positive Marketingeffekte ein, wenn den Kunden klimafreundliche Produkte angeboten werden.
Endenergieträger für industrielle Prozesswärme in Deutschland im Jahr 2016. Quelle: AEE
Industrielle Prozesse benötigen Wärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus, wie die Darstellung der zehn Wirtschaftszweige verdeutlicht, die den höchsten Energieverbrauch bei der Prozesswärme (ohne Raum- und Warmwasser) aufweisen.
Industrieller Wärmebedarf nach Wirtschaftszweigen. Quelle: AEE
Während im Gewerbe von Ernährung und Papier ein Temperaturbedarf bis zu 500 Grad Celsius besteht, weisen Wirtschaftszweige wie Glas- und Keramikgewerbe und chemische Industrie unter anderem einen Temperaturbedarf von über 1.000 Grad Celsius auf. Insgesamt hat die Metallerzeugung und -bearbeitung mit großem Abstand den größten Prozesswärmebedarf (Institut für Energie – und Umweltforschung (ifeu), Deutsches Zentrum für Luft – und Raumfahrt (DLR): Prozesswärme im Marktanreizprogramm, 2010). Bei der Betrachtung des Prozesswärmebedarfs aller Wirtschaftszweige wird deutlich, dass lediglich ein Viertel auf Temperaturen unter 500 Grad Celsius auskommt. Der Großteil des Prozesswärmebedarfs fällt hingegen auf den Temperaturbereich über 500 Grad Celsius.
Erzielte Temperaturen aus erneuerbaren Wärmequellen. Quelle: AEE
Temperaturen unter 300 Grad Celsius sind gut erschließbar für Solarthermie, Tiefengeothermie und Wärmepumpen. Innerhalb der Technologien gibt es große Unterschiede: so erreichen beispielsweise Vakuumröhrenkollektoren bei der Solarthermie bis zu 200 Grad Celsius, während die konzentrierte Solarthermie bis zu 300 Grad Celsius erzielen kann. Aufgrund der Temperaturbegrenzung bei den genannten Technologien, empfiehlt sich der Einsatzbereich von Bioenergie bei der Prozesswärme insbesondere im Hochtemperatur-bereich. So werden mithilfe der Verbrennung von fester Biomasse und mit Biogas leicht über 500 Grad Celsius erreicht, während mit Biomethan (aufbereitetes und gereinigtes Biogas) auch weit über 500 Grad Celsius zu realisieren sind. Biomethan kann direkt in bestehende Erdgasnetze eingespeist und fossilem Erdgas beigemischt werden und steht damit zum Beispiel für den Einsatz in Blockheizkraftwerken zur Verfügung.
Als klimaschonender Ersatz für Kohle und Gas im Bereich der industriellen Prozesswärme bieten sich vor allem große Lösungen an, in denen sich die Biomasse effizienter einsetzen lässt als in dezentralen Einzelanlagen. Als Brennstoff für die Bereitstellung von Prozesswärme aus Heizwerken oder Heizkraftwerken auf Biomasse-Basis wird häufig feste Biomasse wie Holzhackschnitzel oder Pellets verwendet. In diesem Zusammenhang können Resthölzer mancher Industrien, wie von Sägewerken, holzverarbeitenden Unternehmen oder Landschaftsbetrieben, zur Wärmeerzeugung genutzt werden. Biogene Brennstoffe haben den Vorteil, dass sie sowohl transport- und lagerfähig als auch unabhängig von den Wetterverhältnissen für die Wärmeversorgung sind. In Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen können beispielsweise Pflanzenöl oder Biogas verbrannt werden. Auch die Kombination von Bioenergie mit Solarthermie oder Wärmepumpen ist möglich.
Für die Bereitstellung von Prozesswärme werden zukünftig auch die direkte elektrische Wärmeerzeugung (Power-to-Heat) und der Einsatz von weiteren Gasen auf Basis Erneuerbarer Energien (Power-to-Gas) relevante Optionen sein. Mit Power-to-Heat kann die Industrie nicht nur ihren eigenen Treibhausgasausstoß senken, sondern auch eine Flexibilisierungsoption für den Stromsektor darstellen. Strom aus Erneuerbaren Energien, der aufgrund von Netzengpässen nicht direkt verbraucht wird, kann in den Industriebetrieben zur Wärmeerzeugung genutzt werden. Dies kann erhebliche Kostensenkungen der Energiewende mit sich bringen.
Die Potenziale von Abwärmenutzung in der Industrie zur Steigerung der Energieeffizienz sind oft noch unerkannt. So kann Abwärme beispielsweise in Wärmenetze eingespeist werden oder der Stromerzeugung dienen. Das erhöht die Brennstoffausnutzung erheblich und senkt die Schadstoffemissionen der Wärmeversorgung.
Energiespeicher sind ein zentrales Element der Versorgungssicherheit. Sie gleichen Schwankungen von Energieangebot und -nachfrage aus und sorgen dafür, dass Energie genau dann zur Verfügung steht, wenn sie benötigt wird. Meist werden Speicher im Zusammenhang mit der Energiewende im Stromsektor thematisiert, sie sind jedoch genauso wichtig in der Wärmeversorgung.
Ein thermischer Speicher ist zum Beispiel ein wesentlicher Bestandteil der Solarthermie-Anlage, egal, ob die Solarthermie nur zur Trinkwassererwärmung oder auch zur kombinierten Heizungsunterstützung genutzt wird. Er sorgt dafür, dass die Solarwärme auch nachts oder bei schlechtem Wetter genutzt werden kann. Auch Abwärme aus Industrieprozessen oder Kraft-Wärme-Kopplung-Anlagen kann eingespeichert und in Zeiten mit einem hohem Wärmebedarf genutzt werden.
Nötig ist stets ein Speichermedium. Die Speichertechnologien unterscheiden sich in der Energiedichte und der maximal speicherbaren Temperatur. Wie viel thermische Energie der Speicher aufnehmen kann, hängt von der Wärmekapazität und Masse des Speichermediums sowie der nutzbaren Temperaturdifferenz ab.
Im Allgemeinen werden drei Arten von thermischen Speichern unterschieden: sensible, latente und thermochemische Speicher. In der Praxis am häufigsten werden sensible Speicher genutzt. Hier verändert das Speichermedium seine Temperatur, wenn der Speicher be- oder entladen wird. Während des Ladevorgangs wird dem Speichermedium direkt oder indirekt über einen Wärmetauscher Wärme zugeführt. Beim Entladen wird die gespeicherte Energie wieder abgegeben und der Speicher kühlt ab. Allgemein bekannt sind Heißwasserspeicher, wie sie im Zusammenhang mit Gebäudeheizungen vorkommen. Flüssiges Wasser ist ein sehr gutes Speichermedium mit einer hohen Wärmekapazität. Neben Wasser kommen auch andere flüssige sowie feste Speichermedien zum Einsatz, zum Beispiel Gestein, Beton, Keramik und Salz.
Latentwärmespeicher, auch als Phasen-Wechsel-Materialien (PCM) bezeichnet, arbeiten mit verschiedenen Aggregatzuständen von Stoffen (fest, flüssig, gasförmig). Die Wärmezufuhr lässt das Speichermedium schmelzen oder verdampfen, ohne dass sich dabei die Temperatur des Speichermediums erhöht. Deshalb wird von latenter (= verborgener) Wärme gesprochen. Beim Entladen, das heißt der Wärmeabgabe, erstarrt oder verflüssigt es sich wieder. Beispiele aus dem Alltag sind Handwärmer oder Kühlakkus. In Verbindung mit Solarthermie-Anlagen wird oft Paraffin als Speichermedium eingesetzt. Dessen Vorteile gegenüber einem Wasserspeicher liegen im deutlich geringeren Platzbedarf und einer höheren Speicherkapazität. Nachteil sind die höheren Kosten.
Thermochemische Speicher (TCS) arbeiten mit einer umkehrbaren (=reversiblen) chemischen Reaktion. Bei den Speichermitteln Silikagel oder Zeolith werden beim Laden zum Beispiel Wärme zugeführt und Wasser in Form von Dampf entzogen („Desorption“). Wenn in umgekehrter Richtung Wasserdampf zugeführt wird, lagert sich dieser an das Speichermedium an („Adsorbtion“), wobei Wärme frei wird.
Wärmespeicher sind ein wichtiger Baustein für das Zusammenspiel von Strom- und Wärmesektor. Mithilfe von thermischen Speichern kann zum Beispiel Wärme, die bei der Stromerzeugung in Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) anfällt und an warmen Tagen nicht benötigt wird, zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden. KWK-Anlagen mit Wärmespeicher können daher auch dann Strom erzeugen, wenn die Wärme eigentlich nicht gebraucht wird. Umgekehrt müssen sie keinen Strom erzeugen, um Wärme zu liefern, da sie den Bedarf für einige Zeit aus dem Speicher decken können. Damit reduzieren sie den sogenannten Must-Run-Sockel, d.h. die Stromerzeugungsleistung, die immer läuft, auch wenn der Strom gerade nicht benötigt wird. Speicher sorgen also für die Flexibilisierung des Energiesystems.
Um die Energiebereitstellung durch Wind und Sonne bestmöglich zu nutzen, rückt die Nutzung von elektrischem Strom zur Wärmeerzeugung in den Fokus („Power-to-Heat“). Dabei erfolgt die Wärmeerzeugung mithilfe von elektrischen Wärmepumpen, Heizstäben oder Elektrodenkesseln. Die so gewonnene Wärme (oder auch Kälte) kann in einem thermischen Speicher gelagert und dadurch eine zeitversetzte Nutzung ermöglicht werden. Umgekehrt kann aus der eingespeicherten Wärme wegen des geringen Temperaturniveaus jedoch in der Regel nicht wieder Strom erzeugt werden. Ausnahmen bilden einige Forschungsprojekte zu Hochtemperatur-Wärmespeichern.
Strom soll möglichst nur dann zur Wärme- und Kälteerzeugung genutzt werden, wenn gerade reichlich Wind- und Sonnenenergie vorhanden ist. Wenn Wind und Sonne knapp sind, soll die benötigte Energie hingegen bevorzugt aus Speichern oder Biomasse bereitgestellt werden. So lässt sich Raumwärme, Klimakälte, Prozesswärme oder Prozesskälte für Gebäude, Industrie und Gewerbe klimafreundlich bereitstellen.
In Fern- und Nahwärmenetzen wird in größerem Maßstab Wärme gespeichert. Großspeicher mit mehreren Tausend bis zu mehreren Millionen Litern Fassungsvermögen können in Wärmenetze eingebunden werden und als Langzeitspeicher die Wärmeversorgung für mehrere Tage, Wochen und Monate sichern. Sensible Großspeicher mit einem flüssigen Speichermedium lassen sich in verschiedene Bauformen einteilen: Behälter-, Erdbecken-, Erdsonden- und Aquifer-Wärmespeicher.
Das Beispiel Dänemark zeigt, dass es möglich ist, den Anteil der Erneuerbaren Energien mit dem Ausbau von Wärmenetzen und -speichern schnell zu steigern. Auch in deutschen Kommunen gibt es bereits Langzeitwärmespeicher, die ein Überangebot von Wärme im Sommer speichern und bei steigender Nachfrage in den kalten Wintermonaten wieder entnehmen. Wärmenetze müssen diesen neuen Anforderungen entsprechend umgebaut werden.
Hochtemperatur-Wärmespeicher mit KWK und Power-to-Heat im Fernwärmenetz (Berlin, Berlin):
Der Energieversorger Vattenfall erprobt in Kooperation mit dem schwedischen Unternehmen SaltX Technology im Heizkraftwerk Reuter in Berlin, inwieweit sich Strom aus Windenergie oder Photovoltaik durch einen reversiblen chemischen Prozess in einem besonderen nanobeschichteten Salz speichern lässt. Bei der Umwandlung von Calciumoxid zu Calciumhydroxid entsteht eine Temperatur von 550 Grad Celsius. Diese Energie lässt sich über Wochen oder Monate speichern. Anschließend wird sie mithilfe eines Wärmetauschers in Form von heißem Wasser in das Berliner Fernwärmenetz eingespeist. Alternativ ließe sich die Energie auch zur Stromerzeugung nutzen. (Stand: April 2019).
Zum Praxisbeispeil.
Großwärmespeicher mit KWK und Power-to-Heat im Fernwärmenetz (Nürnberg, Bayern):
In Nürnberg betreibt der Energieversorger N-ERGIE im Stadtteil Sandreuth ein erdgasbefeuertes Heizkraftwerk, welches 2012 um ein Holzheizkraftwerk erweitert wurde. Das Holzheizkraftwerk nutzt regionales Waldrestholz sowie Landschaftspflegematerial und speist die Wärme in das Nürnberger Fernwärmenetz. Seit 2014 ergänzt ein Großwärmespeicher die Erzeugungsanlage, der über eine Speicherkapazität von 1,5 Millionen Kilowattstunden verfügt. Das entspricht dem Warmwasserverbrauch aller Nürnberger Fernwärmekund*innen an einem Wochenende im Sommer. Zwei 25-Megawatt-Elektroheizer können zudem Strom in Wärme umwandeln, wenn viel Solar- und Windstrom zur Verfügung steht und der Börsenstrompreis niedrig ist. Seit dem Bau des Wärmespeichers kann das Holzheizkraftwerk flexibler betrieben werden und auf die Situationen im Stromnetz besser reagieren.
Zum Praxisbeispiel.
Großwärmespeicher mit Biogas-BHKW im Nahwärmenetz (Ebenweiler, Baden-Württemberg):
Die Biogasanlage in Ebenweiler in der Nähe von Ravensburg in Baden-Württemberg erzeugt pro Jahr 2,3 Millionen Kubikmeter Biogas, das in einem Blockheizkraftwerk mit 600 Kilowatt elektrischer Leistung in Strom und Wärme umgewandelt wird. Die Wärme fließt in ein Nahwärmenetz, das seit 2015 durch eine Bürgerenergiegenossenschaft betrieben wird. Daran angeschlossen sind über 100 der 380 Haushalte im Ort, außerdem das Rathaus, ein Kindergarten, eine Schule, das Dorfgemeinschaftshaus, die Kirche sowie zwei Vereine (Stand: 2019). In den Sommermonaten wird die Wärme aus der Biogas-Anlage nicht vollständig benötigt. Daher wurde ein Wärmespeicher errichtet, der drei Millionen Liter Wasser fasst, die Abwärme aus dem BHKW aufnimmt und zu einem späteren Zeitpunkt wieder zur Verfügung stellt. Auch die Schwankungen beim Wärmebedarf im Tagesverlauf kann der Speicher ausgleichen. Die Biogasanlage kommt dadurch auf einen Abwärmenutzungsgrad von 60 bis 70 Prozent und stellt eine effiziente Ergänzung für Sonnen- und Windenergie dar.
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Der Energiebunker (Hamburg, Hamburg):
Auf dem Dach und an der Südseite des ehemaligen Flakbunkers aus dem Zweiten Weltkrieg im Hamburger Stadtteil Wilhelmsburg sind heute eine Solarthermie- und eine Photovoltaik-Anlage installiert. Im Innenraum befindet sich ein Biogas-Blockheizkraftwerk, das Strom und Wärme produziert. Die Stromerzeugung reicht für circa 1.000 Haushalte. Ein Großwärmespeicher mit elf Metern Durchmesser, 20 Metern Höhe und einem Fassungsvermögen von insgesamt zwei Millionen Litern Wasser bildet das Herzstück der Anlage und nimmt am meisten Platz ein. Er wird nicht nur mit der Wärme aus der Solarthermie-Anlage und dem Biogas-BHKW gespeist, sondern auch mit der Abwärme eines benachbarten Industriegebiets und sorgt für den Ausgleich der Schwankungen von Wärmeerzeugung und -nachfrage. Über ein etwa 7,5 Kilometer langes Nahwärmenetz werden heute circa 3.000 Haushalte klimafreundlich und sicher mit Wärme versorgt.
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Ein Beitrag vom Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e.V. (AGFW)
Ein häufig unterschätzter und oft unerkannter Energieträger ist Abwärme. Angesichts des erheblichen Abwärmepotenzials in Deutschland kann ihre Nutzung eine wichtige Rolle für die kommunale Wärmewende spielen.
Abwärme ist Wärme, die etwa von technischen Geräten erzeugt und an die Umwelt abgegeben wird. Sie ensteht also in einem Prozess, dessen Hauptziel die Erzeugung eines Produktes, die Erbringung einer Dienstleistung (inkl. Abfallentsorgung) oder einer Energieumwandlung ist.
Abwärme wird heute vielfach ungenutzt in die Umwelt abgegeben. Dabei könnte sie einen erheblichen Beitrag zur Senkung von CO2-Emissionen beisteuern. Gerade Wärmenetze bieten sich für die Nutzung von Abwärme an, da sie nicht auf eine einzelne Wärmequelle beschränkt sind. Abwärme kann entweder bestehende konventionelle Erzeugungsanlagen ersetzen bzw. ergänzen oder für den CO2-freien Ausbau eines Wärmenetzes bzw. den Neuanschluss von Gebäuden genutzt werden.
Abwärme fällt in unterschiedlichen Orten, Prozessen und Unternehmen an. Wichtigste Abwärmequellen sind industrielle Prozesse und thermische Abfallbehandlung-Anlagen, die jedoch in der Regel in einiger Entfernung zu bestehenden Wärmenetzen zu finden ist. Abwärme aus dem Dienstleistungssektor fällt zwar in deutlich geringerem Umfang an, ist aber in der Regel verbrauchsnah vorhanden. Allerdings fällt sie in der Regel auf niedrigerem Temperaturniveau an. Damit ist ihr Einsatz auf Gebäude mit Niedertemperaturheizungen beschränkt oder sie muss mit Hilfe von strombetriebenen Wärmepumpen auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden. Daneben gibt es auch Sonderbereiche wie Abwärme, die aus Abwasser gewonnen werden kann und die in großen Volumenströmen, aber auf niedrigem Temperaturniveau anfällt.
Die besondere Bedeutung der Abwärme ergibt sich aus der Tatsache, dass keine zusätzlichen Emissionen (CO2, Feinstaub, NOx, etc.) erzeugt, kaum zusätzliche Ressourcen eingesetzt und keine Flächen verbraucht werden. Aus diesem Grund ist die Nutzung vorhandener Abwärme in der Regel der Nutzung Erneuerbarer Energien aus neu zu errichtenden Anlagen vorzuziehen. Ein weiterer Vorteil liegt in der Reduktion von punktuellen Wärmeemissionen in die Umwelt, insbesondere in Gewässer. Die Nutzung der Abwärme kann in diesem Zusammenhang den Energieeintrag in die Umwelt und den Ressourcenverbrauch reduzieren. Darüber hinaus ist Abwärme als CO2-frei zu bewerten, wenn sie ein Nebenprodukt eines ohnehin notwendigen Prozesses ist.
Verdrängung von Brennstoff durch Abwärme. Quelle: AGFW
Da erneuerbare Energieträger wie Biomasse, Solar- und Geothermie aufgrund ihres Flächenbedarfs bzw. ihrer Verfügbarkeit nur begrenzt zur Verfügung stehen, müssen die Abwärmepotenziale zwingend gehoben werden, um mit Hilfe CO2-freier Fernwärme die Klimaziele, insbesondere im Gebäudesektor, überhaupt erreichen zu können. Dazu ist ein massiver Aus- und Umbau der Wärmenetze notwendig, um derzeit noch nicht angeschlossene Gebäude, Quartiere und Kommunen mit klimafreundlicher Wärme zu versorgen.
