Die Wärmeversorgung über Netze ist einer der großen kommunalen Hebel für eine erfolgreiche Wärmewende. Denn Wärmenetze bieten eine effiziente und kostengünstige Möglichkeit, um die Wärmewende in kleineren Siedlungen oder ganzen Stadtvierteln umsetzen zu können. In Deutschland werden rund zehn Prozent des Gebäudewärmebedarfs über netzgebundene Wärme gedeckt 70 Prozent der Fernwärmeerzeugung wird von KWK-Anlagen übernommen, die wiederum 85 Prozent Kohle und Gas verfeuern (BDI 2018).
Um den Erfordernissen ambitionierter klima- und energiepolitischer Ziele gerecht werden zu können, muss jedoch eine grundlegende Transformation der bisher überwiegend auf fossilen Brennstoffen basierenden Wärmeversorgung erfolgen.
Fernwärme ist thermische Energie, die durch ein System isolierter Rohre zum Endverbraucher*innen gelangt. Die Energie wird überwiegend zur Heizung von Gebäuden und als Warmwasser genutzt. Das heiße Wasser, das in das Fernwärmenetz eingespeist wird, stammt aus Heizwerken und Heizkraftwerken. Letztere gewinnen mittels Kraft-Wärme-Kopplung gleichzeitig Strom und nutzbare Abwärme. Die meisten Anlagen werden noch mit Kohle oder Erdgas betrieben, es gibt aber auch Anlagen, die Biomasse (z.B. Holzhackschnitzel) oder Erdwärme nutzen. Auch Solarthermie-Anlagen können ihre Wärme in Fernwärmenetze einspeisen. Eine offizielle Abgrenzung zwischen Fernwärme und Nahwärme gibt es nicht. Von Fernwärme spricht man meist bei Wärmenetzen, in die Heiz(kraft)werke mit mehreren Megawatt installierter thermischer Leistung einspeisen.
Nahwärme ist die Übertragung von Wärme zu Heizzwecken über ein Nahwärmenetz zwischen verschiedenen Gebäuden über verhältnismäßig kurze Strecken. Nahwärme wird im Unterschied zur Fernwärme in kleinen, dezentralen Einheiten realisiert und bei relativ niedrigen Temperaturen übertragen. Nahwärmenetze werden z.B. aus Wärme von Blockheizkraftwerken, aber auch aus Solarthermie-Anlagen oder Erdwärmepumpen gespeist. Im Zuge der verstärkten Nutzung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich spielt der Ausbau von Nahwärmenetzen eine große Rolle. Eine offizielle Abgrenzung zwischen Fernwärme und Nahwärme gibt es nicht. Von Nahwärme spricht man meist bei Heiz(kraft)werken bis zu wenigen Megawatt thermischer Leistung.
Nah- und Fernwärmenetze können ermöglichen, klimafreundliche Energieträger im jeweiligen Versorgungsgebiet flexibler zu gestalten und lokal vorhandene Potenziale für Erneuerbare Energien besser nutzbar zu machen. Zeitgleich müssen alle angeschlossenen Verbraucher*innen keine eigene Heizungsanlage mehr installieren und betreiben. Künftig können Wärmenetze insbesondere in dichten besiedelten Gebieten und Ballungsräumen eine zunehmend wichtige Rolle bei der Dekarbonisierung der Gebäudewärme spielen. Dort stößt der Einsatz objektnaher, dezentraler Heizsysteme oftmals an technische und wirtschaftliche Grenzen.
Im Gegensatz zur Stromversorgung steht den meisten Kommunen jedoch kein flächendeckendes Wärmenetz zur Verfügung. Darum muss die Wärme, wenn sie nicht unmittelbar verbraucht wird, meistens nahe ihres Entstehungsortes gespeichert werden. Dabei ist die Kurzzeitspeicherung von Wärme als Warmwasser in Pufferspeichern von Heizungsanlagen weit verbreitet, hinsichtlich der Reichweite sind diese aber begrenzt. Wärmenetze können dagegen sinnvoll voluminöse Kies-Wasser-Speicher, Erdsonden-Wärmespeicher und wasserführende Schichten im Erdreich einbinden. Sie ermöglichen dadurch auch eine Wärmespeicherung über Wochen und Monate für die flexible Nutzung von KWK oder Power-to-heat. Bei Erneuerbare-Energie-Anteilen am Strommix von mehr als 60 Prozent muss jedoch überregional noch stärker ausgeglichen werden. Hierfür, wie auch als Langzeitspeicher ist das deutsche Gasnetz gut geeignet, es ist mit 500.000 Kilometern zwar deutlich kürzer als das Stromnetz, transportiert aber jährlich rund doppelt so viel Energie.
Grundsätzlich sind Wärmenetze in der Lage, eine große Bandbreite unterschiedlicher Wärmequellen einzubinden. Neben den bisher meist in Wärmenetze einspeisenden thermischen Block- oder Großkraftwerken gehören dazu etwa Solarthermie, Tiefengeothermie und Wärmepumpen unterschiedlicher Größe bzw. Leistung. Wärmepumpen können zur Versorgung ganzer Siedlungen oder Quartiere eingesetzt werden. Dabei wird die Wärme durch ein Wärmenetz an die umliegenden Gebäude verteilt, sodass eng bebaute Siedlungen regenerative Wärme nutzen können, ohne auf jedem einzelnen Grundstück eine Erdsonde zu errichten. Abwärme aus Industrieprozessen lässt sich sogar nur durch die Infrastruktur leitungsgebundener Wärmeversorgung sinnvoll erschließen. Auch große Kraft-Wärme-Kopplung-Anlagen können sinnvoll und nachhaltig in Wärmenetze eingebunden werden, sofern diese langfristig mit erneuerbaren Energieträgern betrieben werden. Mit Solarthermie können große Wasserspeicher integriert und ein optimales Zusammenspiel mit KWK-Anlagen erreicht werden. Dadurch haben große Solarthermie-Anlagen, die in Wärmenetze eingebunden sind, deutliche Vorteile in der Wirtschaftlichkeit.
Wie funktioniert ein solarthermisches Wärmenetz. Quelle: AEE
Für die zunehmende, effiziente Einbindung verschiedener Erneuerbaren Energien wie Solarthermie oder die Ab- und Umweltwärme mittels Groß-Wärmepumpen bedarf es künftig einer starken Temperaturabsenkung der Wärmenetze. Moderne, sogenannte „kalte“ Wärmenetze arbeiten nicht wie klassische Wärmenetze mit einer konstanten Vorlauftemperatur von 80 Grad Celsius, sondern können auch mit lediglich 30 Grad Betriebstemperatur gefahren werden. So können zudem Energieverluste über die Leitungen deutlich reduziert werden.
Durch den Einsatz von Wärmepumpen und –speichern sowie Power-to-Heat-Anlagen (PtH) gewinnen Wärmenetze auch als Flexibilisierungskomponenten für den zunehmend durch fluktuierende Erneuerbare Energien geprägten Stromsektor an Bedeutung.
Quelle: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie
Während der Anteil des mittels (Fern-)Wärmenetzen gedeckten Wärmebedarfs heute bei circa 10 Prozent in Deutschland liegt, könnte dieser verschiedenen Szenarien nach zu urteilen bis zum Jahr 2050 auf etwa 20-25 Prozent steigen. Zwar wird der Großteil des Wärmemarktes in allen Szenarien auch künftig von objektnahen, dezentralen Heizkesseln bestimmt, aber es ist gleichzeitig von einem deutlichen Zuwachs an Wärmenetzen auszugehen.
Kommunale Unternehmen spielen als mögliche Betreiber dieser Wärmenetze eine wichtige Rolle.
In Dänemark zeigt sich, dass sich der Anteil der Erneuerbaren Energien mit dem Ausbau von Wärmenetzen schnell steigern lässt.
Der Begriff Smart Grids steht als Sammelbegriff für eine flexible Verknüpfung von Stromerzeugung, Stromtransport und Lastmanagement mit Hilfe moderner Kommunikations- und Informationstechnologie. Synonym wird auch von intelligenten Netzen gesprochen. Der Einsatz von digitaler Technologie soll künftig eine automatisierte Betriebsführung von Verteilnetzen bzw. Übertragungsnetzen ermöglichen und dabei immer höhere Anteile erneuerbarer und dezentraler Erzeugungstechnologien sicher und effizient in das Versorgungssysstem integrieren. Ein Teil dieser modernen Netzbetriebsführung sind neue digitale, „intelligente“ Stromzähler (Smart Meter).
Best Practice Beispiele:
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