Technologie als Erfolgsfaktor

Als preiswerte Option für Wärmenetze galt schon immer die Nutzung „kostenloser“ Abwärme aus Industriestandorten. Auch die Wärmeauskopplung aus großen Kraftwerken zur Stromproduktion, aus Müllverbrennungsanlagen oder aus der Geothermie führte zu Fernwärmenetzen. In all diesen Anwendungen resultieren die Wärmenetze aus den o. g. Technologien bzw. Akteuren und sind Teil einer langjährigen Erfolgsgeschichte. Ein weiterer Vorteil für die „leitungsgebundene Wärmeversorgung“ liegt in Synergien aus der Kombination mehrerer Technologien. Diese Brennstoffunabhängigkeit von Wärmenetzen ist für einen erfolgreichen Ausbau unabdingbar und kann die Kosten von Wärmenetzen rechtfertigen und refinanzieren.

Herausforderung Projektierung von Wärmenetzen

Wärmenetze bedeuten jedoch hohe Kosten für Tief- und Rohrleitungsbau, aber auch den Betrieb. Große Wärmemengen auf kurze Entfernungen in einfachem Gelände lassen sich einfach wirtschaftlich transportieren. Eine große Herausforderung bedeuten innerstädtische Leitungen unter Berücksichtigung zahlreicher Fremdsparten und hohen Kosten für die Wiederherstellung von Oberflächen.

Gerade solche Gebiete werden in der kommunalen Wärmeplanung oft als ideale „Fernwärmegebiete“ ausgewiesen. In der Praxis bedarf es für einen erfolgreichen Ausbau intelligente Lösungen bei der Leitungsführung. Auch ein optimiertes Zeitmanagement durch das Zusammenlegen mit anderen Straßen- und Tiefbaumaßnehmen vor Ort erleichtert eine wirtschaftliche Projektentwicklung.

Kleinteilige Wärmekunden in Kombination mit großen Leitungslängen bringen die Wirtschaftlichkeit ebenfalls schnell an ihre Grenzen.

Ein weiterer Nachteil für Wärmenetze sind moderne nachhaltige Gebäude. Sie haben zwar den Vorteil von geringeren Temperaturniveaus, und somit weniger Wärmeverlusten, verschlechtern jedoch durch den spezifisch geringen Wärmebedarf und den reduzierten Vollbenutzungsstunden (VBh) gegenüber einer Altbausubstanz die Wirtschaftlichkeit.

Die zusätzlichen Kosten für ein Wärmenetz müssen sich durch Einsparungen und Synergien in der Wärmeerzeugung rechnen. Netze können zwar auf einen längeren Zeitraum als die Anlagentechnik abgeschrieben werden, erreichen aber bei ungünstigen Verhältnissen schnell einen anteiligen Wärmepreis von 60 – 90 €/ MWh. Sie verursachen also schon ohne den Wärmegestehungskosten den Grenzpreis einer dezentralen Eigenerzeugung.

Effizienz durch abgesenkte Temperaturen im Wärmenetz

Hohe Temperaturen im Vorlauf der Wärmenetze bedeuten auch höhere Wärmeverluste. Durch Sanierungsmaßnahmen und optimierte Isolierung von Leitungen können diese Verluste reduziert werden, was aber zusätzliche Mehrkosten verursacht. Erfolgsfaktoren für wirtschaftliche Wärmenetze sind abgesenkte Temperaturen und hohe Spreizungen zwischen Vorlauf (VL) und Rücklauf.

Auch dezentrale Wärmespeicher beim Wärmekunden können zur Effizienzsteigerung von Wärmenetzen beitragen. In Kombination mit einer dezentralen Option zur Nacherhitzung des VL, z. B. durch einen WP-Booster oder durch ein Power to Heat (P2H), kann das Gesamtsystem wirtschaftlich optimiert werden.

Dezentral vs. leitungsgebunden

Der Grenzpreis für eine „leitungsgebundene Wärmeversorgung“ ergibt sich aus den Vollkosten einer dezentralen Eigenerzeugung einer neuen Heizungsanlage. In der Regel sind dies dezentrale WP-Lösungen. Die Wärmegestehungskosten einer dezentralen WP-Lösung hängen stark vom Wirkungsgrad (COP) und vom Strompreis bzw. dem Anteil der Eigenstromerzeugung ab.

Ineffiziente WP-Lösungen mit geringem oder keinem Eigenstromanteil, insbesondere im Altbaubestand, sind für Betreiber von Wärmenetzen leichter zu unterbieten.

Dezentrale WP-Lösungen sind schneller und leichter zu realisieren und bedeuten somit eine zusätzliche Herausforderung und Konkurrenz für die Expansion von Wärmenetzen. Wenn immer mehr Gebäudeeigentümer sich frühzeitig für dezentrale Lösungen entscheiden, brechen diese potenziellen Kunden für den Markt der „leitungsgebundenen Wärmeversorgung“ weg. Selbst Trassenabschnitte, die zunächst sinnvoll und wirtschaftlich erscheinen, verlieren durch zu langsame Projektentwicklung und Realisierung auf der Zeitschiene. Dieser Aspekt darf nicht unterschätzt werden und bedeutet für den erfolgreichen Ausbau von Wärmenetzen einen erheblichen Handlungsdruck. Ein erfolgreicher Ausbau von Wärmenetzen kann nur funktionieren, wenn den potenziellen Kunden zeitnah interessante Angebote unterbreitet werden, ungeachtet der Zeitvorgaben der kommunalen Wärmeplanung und der Trafo-Planung.

Erfolgsfaktor intelligente und sektorübergreifende Wärmeerzeugung

Mit einer 1:1 – Technologie der Wärmeerzeugung im Großmaßstab gegenüber einer Dezentralen Eigenerzeugung dürfte sich die wirtschaftliche Herausforderung eines Wärmenetzes nicht bewältigen lassen. Es ist nicht wirtschaftlich zielführend, wenn z. B. zahlreiche dezentrale WPs zu einer Groß-Wärmepumpe zusammengefasst werden, auch nicht unter Berücksichtigung eines Gleichzeitigkeitsfaktors. Um die Mehrkosten des Wärmenetzes aufzufangen, bedarf es eines intelligenten und innovativen Gesamtkonzepts mit signifikanter Effizienzsteigerung.

WP-Lösungen gelten als Leittechnologie der zukünftigen Wärmewende, bedeuten aber auch Hemmnisse und Herausforderungen. Sie haben ihren idealen Einsatz in Effizienzgebäuden mit niedrigen Verbräuchen und Systemtemperaturen von max. 55 ° C. Der bedingungslose Einsatz von WPs für höhere Temperaturen, wie sie z. B. für Altbausubstanz typisch sind, ist technisch zwar lösbar, stößt wirtschaftlich jedoch schneller an die Grenzen.

Durch die Nutzung von Umgebungsenergie kann die Effizienz von WPs gesteigert werden. Wasser-Wasser-Wärmepumpen (WW-WP) haben hinsichtlich Effizienz erhebliche Vorteile gegenüber den Luft-Wasser-Wärmepumpen (LW-WP). Darüber hinaus benötigen WW-WP weniger Platz und haben Vorteile bei der Lärmentwicklung bzw. lassen sich leichter einkapseln. Gerade bei Energiezentralen in der Nähe einer Wohnbebauung bedeuten laute LW-WPs genehmigungsrechtlich eine zusätzliche Herausforderung. Im Rahmen der Projektentwicklung ist frühzeitig zu prüfen, ob ganz oder wenigstens teilweise zugunsten von WW-WP auf den Einsatz von LW-WP verzichtet werden kann. Neben der Sole aus dem Erdreich bieten sich auch andere „(Ab-) Wärmequellen“ für ca. 30-grädiges Wasser für die WW-WP an.

Aus Kosten- und Effizienzgründen stellt sich die Frage, ob die gesamte Wärmeleistung mit teurer Technik bereitgestellt werden muss. Die Spitzenlast, also je nach Abnahmeprofil 40 – 50% der Maximalleistung, kann problemlos durch einfachere und kostengünstigere Technologiebausteine gelöst werden. Sinnvoll ist die Kombination der WP mit Power to Heat (P2H). Die WP wird nicht aufwendig und kostspielig für die Spitzenlast im Winter ausgelegt. Dies übernimmt die P2H, also eine Elektroheizung, in Kombination mit einem großen Schichtwärmespeicher.

Der P2H kann die WP bei höheren Temperaturen und zur Deckung von Spitzenlasten unterstützen. Bei elektrischen Leistungen ab 500 kW bietet sich darüber hinaus die Einbindung in den Regelenergiemarkt an, was die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems signifikant steigert.

Ein ausreichend dimensionierter Wärmespeicher unterstützt die Freiheitsgrade für solch einen wirtschaftlich optimierten Anlagenbetrieb. Der Wärmespeicher ist ohnehin sinnvoll, da er das Takten der WPs vermeidet und somit zur Effizienzsteigerung beiträgt. Im Extremfall kann ein gut gefüllter Speicher kurzfristig zusätzlich zur Spitzenlastabdeckung beitragen.

Abwärme aus Wasser und Abwasser

Eine Option zur Vermeidung von LW-WPs ist die Nutzung von Geothermie. Insbesondere bei gleichzeitigem Kältebedarf im Sommer lassen sich die Mehrkosten für Erdsonden rechtfertigen. Die Praktikabilität hängt hier neben den wirtschaftlichen Faktoren sehr stark von den örtlichen geologischen Begebenheiten ab.

Der Energiegehalt in benachbarten Gewässern oder Kanalsystemen ist ebenfalls sehr beachtlich und rückt daher zunehmend in den Fokus der kommunalen Wärmeplanung. Die Verfügbarkeit von geeigneten Gewässern hängt ebenfalls stark von den örtlichen Begebenheiten ab. Viel realistischer ist die Verfügbarkeit von Abwasser- oder Regenwassersystemen. Gemäß DWA hat allein Abwasser das Potenzial zur Deckung von ca. 10% des Wärmebedarfs in deutschen Gebäuden. Die Abwärmenutzung aus Abwasser kann bei ausreichend Abstand zur Kläranlage im ungereinigten Abwasser erfolgen. Aus Sicht der Abwasserbehandlung viel sinnvoller ist die Abwärmenutzung im gereinigten Abwasser am Auslauf. Dies hat gleichzeitig den Vorteil, dass die Abwassertemperatur an die Gewässertemperatur angeglichen werden kann.

Trotz zahlreicher Bedenken und Hemmnisse, z. B. die großen Flächen für Wärmetauscher, nimmt die Nutzung dieser sinnvollen und kostenlosen Umgebungsenergie zu. So verfügt die Firma UHRIG aus Baden-Württemberg über erprobte Wärmetauscher-Systeme für größere Kanalsysteme im Bestand. Die Firma FRANK aus Hessen verfügt über entsprechende Kunststoff-Lösungen, insbesondere für neu zu verlegende Kanalsysteme in Quartieren oder in Regenwassersystemen. Durch geeignete Produkte können die Kosten für die entnommene Leistung gegenüber Erdsonden im Idealfall halbiert werden. Entscheidend bei der Projektierung ist der Ansatz, dass die vergleichbar effizienteren Lösungen nicht zwingend den gesamten Wärmebedarf, insbesondere die Spitzenlast, liefern müssen. In der Praxis reicht es schon, wenn nur ein Anteil des Gesamtbedarfs durch solche Lösungen gedeckt wird und somit zur Reduktion der Investitionskosten und zur Optimierung der Wirtschaftlichkeit beitragen kann.

Wärme als „Abfallprodukt“ der Stromerzeugung

Einen hohen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit von WP-Lösungen hat der Strombedarf und die daraus resultierenden Betriebskosten. Neben einem guten COP der WP ist aus wirtschaftlichen Gründen eine Eigenstromerzeugung, i. d. R. aus PV, anzuraten. Darüber hinaus optimiert die dezentrale Eigenerzeugung des elt. Stroms die Versorgungssicherheit und entlastet überregionale Stromnetze.

Die saisonale Verwerfung der Strombilanz von WPs und PV wird gerade im Winter eine „Versorgungslücke“ hinterlassen. Im Winter wird der Strombedarf zusätzlich getrieben durch den reduzierten COP der WPs für die Bereitstellung der höheren VL- Temperaturen. Dies steigert den Bedarf zusätzlicher Gaskraftwerke zur Deckung der Versorgungslücke und zur Stabilisierung der Stromnetze. Zum Ausgleich des zunehmend volatilen Energiemixes benennt das Bundeswirtschaftsministerium bis 2031 einen Bedarf an 17 bis 21 GW neuer Gaskraftwerke. Aktuellere Zahlen gehen sogar von bis zu 30 GW aus.

Die Wahrscheinlichkeit, dass der Strom im Winter für WP-Lösungen aus solchen Gaskraftwerken kommt, ist somit sehr groß.

Viel sinnvoller ist der Einsatz kleinerer dezentraler BHKW-Einheiten als „Kombilösung“ mit den WPs. Dezentrale KWK-Anlagen verfügen durch die Integration in das lokale Wärmekonzept mit min. 80% über einen höheren Gesamtwirkungsgrad als Großanlagen mit teilweise fehlender oder unzureichender Wärmeauskopplung. Darüber hinaus können KWK-Anlagen die Stromnetze entlasten und vermeiden Milliardeninvestitionen in große Gaskraftwerke und den Netzausbau.

Wenn die WPs mit einem BHKW kombiniert wird, können die Vorteile zweier Technologien genutzt werden. Dies erhöht Effizienz und Versorgungssicherheit bei gleichzeitiger Reduktion der Betriebskosten. Das BHKW kann somit im Winter den Strombedarf der WP decken und darüber hinaus bei VL-Temperaturen von über 55 ° C in Kombination mit Wärmespeicher und P2H die Spitzenlast abdecken.

Diese integrierten und intelligenten Gesamtlösungen entsprechen modernen energiewirtschaftlichen Anforderungen und auch in anderen Ländern einer wirtschaftlichen Wärmeversorgung. Wärme ist bei solchen „Best-Practice-Lösungen“ somit das Abfallprodukt einer intelligenten dezentralen Stromerzeugung. Eine „Kombilösung“ aus WPs, BHKW und P2H kann leicht in unterschiedlichen Leistungsklassen, also von kleineren Quartierslösungen bis hin zur Versorgung großer Fernwärmenetze, skaliert werden.

Biomasse und Solarthermie als zusätzliche Optionen

Bei der Recherche in Best-Practice-Regionen fällt schnell der hohe Anteil an Biomasse bei der Wärmeerzeugung auf. In Dänemark beträgt der Anteil derzeit beispielsweise über 80%. Gerade in ländlichen Regionen kann auch in Deutschland die Biomasse einen relevanten Anteil der Wärmeerzeugung übernehmen und ist auch integraler Bestandteil der BEG-Förderrichtlinien. Die förderfähige Leistung von Anlagen für Holzpellets ist jedoch auf 1 MW begrenzt. Bei Holzhackschnitzel-Anlagen existiert diese Obergrenze nicht. Hier sind jedoch ebenfalls Auflagen an Qualität und Herkunft zu beachten. Einen kleineren Anteil in der Wärmeversorgung macht derzeit die Solarthermie aus. Diese Technologie ist ebenfalls Bestandteil der BEG-Förderrichtlinie und kann in ausgewählten Projekten einen relevanten Anteil der Wärmeversorgung übernehmen. Bei der Biomasse dient bereits der Brennstoff als Saisonspeicher. Bei Solarthermieanlagen ist für die saisonale Wärmespeicherung ein zusätzlicher Speicher erforderlich.

Transparenz und Technologieoffenheit

In jedem Fall ist im Rahmen einer Machbarkeitsstudie in einer frühen Projektphase ein technologieoffener Variantenvergleich zu empfehlen. Neben dem Vergleich der jeweiligen Optionen der Wärmeerzeugung ist hier auch der Aspekt Wärmenetz vs. dezentraler Wärmeerzeugung mit in die Betrachtung aufzunehmen. Nur so ist eine realistische Einschätzung möglich, ob die Mehrkosten eines Wärmenetzes durch die Synergien einer größeren Wärmeerzeugungsanlage aufgefangen werden können.