Erneuerbare Energien sind die Zukunft der Wärmenetze

Blockheizkraftwerk für ein Wärmenetz. Foto: E.ON
Blockheizkraftwerk für ein Wärmenetz. Foto: E.ON

EnWiPo führte mit Michael Nast vom Stuttgarter Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt ein Interview zu den Vor- und Nachteilen sowie der Zukunftsfähigkeit von Wärmenetzen.


Welche grundsätzlichen Vor- und Nachteile sehen Sie in Nah- und Fernwärmenetzen?

Vorteile gibt es folgende:

  • kostengünstige Großanlagen werden bei solarer Wärme und Geothermie möglich
  • kostengünstige saisonale Speicher werden möglich
  • Wärme aus Biogas-BHKW kann genutzt werden, für die es sonst im Bauernhof neben der Biogasanlage keine Verwendung gäbe
  • Biomasse-KWK mit fester Biomasse wird möglich. In kleineren Anlagen lässt sich feste Biomasse wegen technischer Probleme nur zur Wärmeerzeugung nutzen.
  • Kostengünstiger Brennstoff und saubere Abgase bei Holz- und Strohverbrennung werden möglich. Erst bei größeren Feuerungsanlagen werden Abgasreinigungsanlagen wirtschaftlich vertretbar. Dann können auch billigere Brennstoffe wie vereiste Rinde oder Stroh, die ohne Abgasreinigung zu hohe Emissionen verursachen würden, genutzt werden.
  • höherer elektrischer Wirkungsgrad bei größeren, auch fossil befeuerten KWK-Anlagen. Der Wert von elektrischer Energie ist viel höher als der von Wärme – z.B. weil 1 kWh Strom mit Hilfe eines billigen Tauchsieders direkt in 1 kWh Wärme umgewandelt werden kann, umgekehrt aber Wärme nur mit teuren Analgen und hohen Verlusten in Strom verwandelt werden kann.
  • Industrielle Abwärme, die bisher weggekühlt wurde, kann genutzt werden.
  • Wärme aus Müllverbrennungsanlagen wird nutzbar
  • Große Wärmepumpen können günstige (Ab-)Wärmequellen nutzen
  • Elektroheizer mit Wärmespeichern können jederzeit Überschussstrom aus EE nutzen. Die Wärmespeicher der Fernwärmeunternehmen können sehr viel Wärme (und damit auch sehr viel Strom) aufnehmen, die dann zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden kann. Da die großen Fernwärmespeicher nur sehr langsam auskühlen, kann diese Nutzung auch noch Wochen später erfolgen.
  • Flexibilität bei der Wahl von Technik und Brennstoff. Es ist viel teurer in 1000 Gebäuden die Wärmeerzeuger zu ersetzen als der Austausch eines Wärmeerzeugers in einer Heizzentrale, aus welcher 1000 Gebäude versorgt werden.

Nachteile siehe ich hier:

  • Wärmeverluste!  Nur dort anwenden, wo die Vorteile die Nachteile der Wärmeverluste überwiegen. Die Wärmeverluste lassen sich durch verschieden Maßnahmen verringern. Dazu gehören:
    • Die Nutzung von Wärmeleitungen mit verstärkter Wärmedämmung. Die Absenkung der Netztemperaturen. Schon ein hydraulischer Abgleich des hausinternen Wärmeverteilungssystems der an das Wärmenetz angeschlossenen Gebäude führt zu einer Abnahme der Rücklauftemperaturen des Wärmenetzes.
    • Organisatorisches Problem: Kollektive Entscheidungen sind erforderlich, da eine Nahwärmeversorgung nur dann wirtschaftlich betrieben werden kann, wenn gleich zu Beginn des Betriebs die Anschlussdichte genügend hoch ist. Dies ist gravierend, da bei den konkurrierenden Beheizungsarten wie Ölkessel, Pelletkessel oder Wärmepumpen nur eine individuelle Entscheidung, die unabhängig von den Entscheidungen der Nachbarn erfolgen kann, erforderlich ist.
    • Problematik in den Gebieten Deutschlands, in denen ein Bevölkerungsschwund zu verzeichnen ist, welcher mit einem zunehmenden Leerstand von Wohnungen und Gebäuden einhergeht. Diese Problematik ist nicht fernwärmespezifisch, da sie alle Arten von Infrastrukturmaßnahmen betrifft.

Wo sehen Sie den zukünftigen Platz von Wärmenetzen bei immer effizienteren Gebäuden?

In Altbaugebieten erfolgen die Fortschritte bei der Wärmedämmung nur langsam – deutlich langsamer als dies gemäß dem Energiekonzept der Bundesregierung erforderlich wäre. Bis zum Jahr 2020 wird von der Bundesregierung eine Minderung des Wärmebedarfs in Wohngebäuden um 20% (gegenüber 2008) angestrebt. Erreicht werden bis dahin wohl nur ca. 8%. Dazu passt die Beobachtung in den Nahwärmenetzen, die in den letzten Jahren errichtet wurden, dass die Minderung des Wärmebedarfs in den bereits angeschlossenen Gebäuden durch den Neuanschluss von weiteren Gebäuden häufig überkompensiert werden konnte. Natürlich nimmt die Wirtschaftlichkeit aller Verteilnetze (Strom, Gas, Wärme) ab, wenn weniger Energie verteilt wird. Aber der Effekt der verbesserten Wärmedämmung auf die Wirtschaftlichkeit von Fern- oder Nahwärmenetzen wird nach meiner Ansicht deutlich überschätzt. Dies belegen auch die Aktivitäten in unserem Nachbarland Dänemark, wo inzwischen auch bereits mit Gas versorgte Gebiet für die Fernwärme erschlossen werden, obwohl die Wärmedämmvorschriften in Dänemark ähnlich streng wie die deutschen sind. Gebiete, die heute interessant für die Versorgung aus Wärmenetzen sind, werden dies daher auch in der Zukunft noch sein.

Welche grundsätzlichen Entscheidungskriterien legen Sie zugrunde, um die Wirtschaftlichkeit eines Wärmenetzes für ein Neubaugebiet einzuschätzen?

Michael Nast. Foto: privat
Michael Nast. Foto: privat

Vorweg eine Anmerkung zu der Bedeutung von Neubauten im Vergleich zu Altbauten bezüglich des Klimaschutzes. Im Vergleich zu den Altbauten aus der Zeit vor 1980 (und das ist der bei weitem überwiegende Anteil des gesamten heutigen Gebäudebestands) verfügen die Neubauten über eine hervorragende Wärmedämmung. Auch im Jahr 2050 wird der größte Teil des zukünftigen Wärmebedarfs noch in solchen Gebäuden anfallen, die vor 1980 errichtet wurden. Mit welcher Heiztechnik der noch verbleibende geringe Wärmebedarf der Neubauten, die gemäß der EnEV 2016 errichtet werden, gedeckt wird, ist aus Sicht des Klimaschutzes nur noch wenig relevant. Nun zur Frage: In der Tat sehe auch ich bei Neubaugebieten die Wirtschaftlichkeit als das entscheidende Kriterium bei der Auswahl eines Heizungssystems an – für den Klimaschutz ist schon durch die Erfüllung der EnEV hinreichend gesorgt. Nahwärme kann dabei trotzdem durchaus die wirtschaftlichste Lösung sein, da eine Wärme-Übergabestation deutlich billiger ist als ein Kessel gleich welcher Bauart oder eine Wärmepumpe. Abzuwägen ist dieser Vorteil gegenüber den Zusatzkosten, die durch das Wärmenetz und die Heizzentrale entstehen. Je dichter die Gebäude aneinanderstehen, desto kürzer (und damit billiger) wird das erforderliche Wärmenetz. Der günstigste Fall ergibt sich, wenn es sich um Reihenhaussiedlungen handelt und die Wärmeleitungen kostengünstig durch die Keller der Gebäude verlegt werden können. Auch möchte ich darauf hinweisen, dass bei Neubaugebieten die Netztemperaturen sehr gering sein können, da die Heizungssysteme der neu errichteten Gebäude mit sehr geringen Zusatzkosten so ausgelegt werden können, dass nur geringe Vorlauftemperaturen benötigt werden. Das käme z.B. der Versorgung aus einer in der Heizzentrale installierten, großen Wärmepumpe sehr entgegen. Die Details der Wirtschaftlichkeitsberechnung müssen wohl dem Bauträger überlassen bleiben. Mir ist jedenfalls keine Faustregel bekannt, nach der sich die Wirtschaftlichkeit der Nahwärmeversorgung eines Neubaugebietes einschätzen lässt.

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Welche davon abweichenden Überlegungen gelten für Bestandsgebiete?

In Altbaugebieten ist die Trassenlänge je Hausanschluss sehr viel größer als in Neubaugebieten (wenn man mal von den extrem engen mittelalterlichen Bebauungen in den historischen Kernen einiger Kleinstädte absieht). Auch die Netztemperaturen sind dort höher. Dem entsprechend müssen sowohl den Netzkosten als auch den Netzverlusten eine höhere Bedeutung als bei Neugebieten beigemessen werden. Ein guter Richtwert für die Wärmebelegungsdichte (das ist die von den Gebäuden durchschnittlich abgenommene Jahreswärmemenge geteilt durch die Trassenlänge des Wärmenetzes inkl. Hausanschlussleitungen), die mindestens erreicht werden sollte, sind 500 kWh/(m*a). Wie Messungen an Bioenergiedörfern in Baden-Württemberg zeigen, sind bei dieser Wärmebelegungsdicht noch Wärmeverluste von unter 20% möglich (in Einzelfällen sogar nur 12%). Auch die meisten Wärmenetze in Dänemark weisen Wärmebelegungsdichten von über 500 kWh/(m*a) auf. Wie hoch die akzeptablen Verluste eines Wärmenetzes aus Sicht des Klimaschutzes sein dürfen, hängt von der Wärmequelle ab. Bei einem Biogas-BHKW oder industrieller Abwärme, die ohne Nahwärmenetz hätte weggekühlt werden müssen, gibt es dafür keine Obergrenze. Steht dagegen nur ein Gasheizkessel in der Heizzentrale, wäre in fast allen Fällen dem Klima besser gedient, wenn statt des zentralen Gaskessels viel kleinere Zentralheizungskessel aus einem Gasnetz versorgt werden.

Für die Wirtschaftlichkeit sind die Kosten für die Verlegung des Wärmenetzes entscheidend. Pro Meter verlegt Trasse können diese Kosten je nach den örtlichen Gegebenheiten sehr unterschiedlich sein. Aus den Statistiken für das Marktanreizprogramm (MAP), über welches die Installation von jährlich etwa 1.000 km Wärmenetz gefördert wird, ergeben sich Kosten, die im Mittel deutlich unter. 200 € je Meter Trasse liegen. Kleinere Netze, bei denen ein größerer Anteil in unbefestigtem Gelände verlegt worden sein dürfte, waren dabei besonders günstig. Diese vergleichsweise geringen Kosten sind dadurch erklärbar, dass sich viele der vom MAP geförderten Netze im ländlichen Raum befinden, wo es bei der Leitungsverlegung wenig (Platz-)Probleme mit sonstigen erdverlegten Leitungen (Telekommunikation, Wasser, Abwasser) gibt und häufig auch kostengünstig im unbefestigten Bereich außerhalb der geteerten Straßen verlegt werden kann. Im städtischen Bereich können die Kosten ein Vielfaches betragen. So geht gibt der von der bayerischen Landesregierung herausgegebene „Leitfaden Energienutzungsplan“ einen Richtwert von 800 €/m an. Dieser dürfte in München und seinen Vororten ein durchaus typischer Wert sein. Um die Wirtschaftlichkeit eines Nahwärmeprojektes zu beurteilen, ist es angesichts der großen Kostenspannen daher auch im Altbaubestand unabdingbar, sich die Verhältnisse vor Ort anzusehen.

Natürlich sind auch die Brennstoffkosten für die Wirtschaftlichkeitsrechnung von Bedeutung. Diese können bei Wärmenetzen sehr günstig sein. Die von dem BHKW einer Biogasanlage erzeugte Wärme wird meist kostenfrei abgegeben (dafür bezieht der Biogas-Landwirt eine höhere EEG-Vergütung für seinen ins öffentliche Stromnetz eingespeisten Biogasstrom). Auch die Nutzung von industrieller Abwärme kann sehr kostengünstig sein.

Welche wohnflächenbezogenen Verteilnetzverluste dürfen Ihre Meinung nach maximal auftreten, damit sich ein Anschluss für ein Neubaugebiet rechnen kann?

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Neubauten haben nur noch einen sehr geringen Wärmebedarf. Die entscheidenden Kosten für die Beheizung eines Neubaus sind daher die Installationskosten für den Wärmeerzeuger. Die Brennstoffkosten spielen dagegen nur eine untergeordnete Rolle. Dies gilt auch für die Wärmeverluste der Netze in den fast immer dicht bebauten Neubaugebieten. Diese Verluste sind ohnehin gering, da sowohl die Leitungslängen gering sind (bezogen auf die Anzahl der angeschlossenen Gebäude) als auch die Netztemperaturen.

Gelten für den Bestand hier andere Werte?

Wie schon ausgeführt, sollte die Wärmebelegungsdichte nicht unter 500 kWh/(m*a) sinken. Dabei ist allein entscheidend, wieviel Wärme die angeschlossenen Gebäude jährlich benötigen. Solange die insgesamt abgenommene Wärme gleich bleibt, ist es egal, ob kleine Gebäude mit einem hohen spezifischen Wärmebedarf (in kWh/m² jährlich) oder große Gebäude mit einem geringen spezifischen Wärmebedarf angeschlossen sind. Die wohnflächenbezogenen Verteilnetzverluste sind daher kein guter Indikator für die Wirtschaftlichkeit eines Wärmeanschlusses.

Wie lassen sich Netzverluste minimieren, etwa im Vergleich in Bezug auf kWh/a je Meter Trassenlänge?

Die wichtigsten Möglichkeiten zur Minimierung der Netzverluste sind:

  • Verstärkung der Wärmedämmung der Leitungen. Am Markt werden eine einfache und eine zweifache Verstärkung angeboten
  • Vor- und Rücklaufleitung gemeinsam innerhalb eines (dickeren) Rohres verlegen (sog. Twin- oder Duo-Rohre)
  • Netztemperaturen absenken
  • Möglichst kleine Rohrdurchmesser wählen.

Die Netzverluste können halbiert werden, wenn anstelle von einer normalen Leitung ein Duo-Rohr mit zweifacher Verstärkung der Wärmedämmung gewählt wird. Die besser gedämmten Leitungen sind natürlich etwas teurer. Wird nur nach engen Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten optimiert, so muss nur geprüft werden, ob die Ersparnis bei den Brennstoffkosten, die aus der verbesserten Wärmedämmung resultieren, ausreichen, um die erhöhten Investitionskosten zu amortisieren. Das beim Bau von Bioenergiedörfern in Baden-Württemberg erfahrendste Unternehmen (Solarcomplex) verwendet aus Gründen des Klimaschutzes nur noch zweifach verstärkte Duoleitungen, und das obwohl es die Wärme meist sehr kostengünstig aus Biogas-BHKW oder aus industrieller Abwärme bezieht.

Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen den Wärmeleitungen und dem umgebenden Erdreich ist, desto geringer sind die Wärmeverluste. Daher führt die Absenkung der Netztemperaturen (= Mittelwert aus Vor- und Rücklauftemperatur) zu einer Minderung der Wärmeverluste. In Altbaugebieten ist dies nur in Kooperation mit den Wärmekunden möglich.
Die Vorlauftemperatur des Netzes muss mindestens so hoch sein, dass auch noch das Gebäude mit dem schlechtesten hausinternen Wärmeverteilsystem im Winter noch warm wird. Der Fernwärmeversorger kann den betreffenden Kunden gezielt beraten, wie für dieses Gebäude durch Verbesserungen an den Heizkörpern oder an der Wärmedämmung die erforderliche Vorlauftemperatur abgesenkt werden kann.

Die Rücklauftemperaturen können abgesenkt werden, indem in jedem der angeschlossenen Gebäude ein hydraulischer Abgleich des hausinternen Wärmeverteilsystems durchgeführt wird. Auch ein Arbeitspreis, der von der Rücklauftemperatur abhängig ist, ist ein Anreiz für den Gebäudebesitzer, dafür zu sorgen, dass das vom Wärmeversorger gelieferte heiße Wasser in seinen Heizkörpern möglichst stark abgekühlt wird. Am ungünstigsten ist es, wenn ein Heizkörper voll aufgedreht wird, sodass das oben eintretende Heizungswasser den Heizkörper sehr rasch durchfließt und ihn dann praktisch ohne Abkühlung unten wieder verlässt. Eine gute Abkühlung des gelieferten Heizungswassers hat auch zur Folge, dass ein geringerer Rohrquerschnitt für die Fernwärmeleitungen erforderlich ist. Wenn eine gute Abkühlung prognostiziert werden kann, können die Fernwärmeleitungen von Anfang an kleiner ausgelegt werden, was zu geringeren Wärmeverlusten führt. In Deutschland sind die Stadtwerke Gießen ein Beispiel, wo Maßnahmen zur Absenkung der Rücklauftemperatur erfolgreich waren.

Die Unterschiede am Markt bei der Wärmeleitfähigkeit des die Wärmeleitungen umhüllenden Dämmmaterials sind nicht sehr groß. Unterschiede gibt es allerdings bezüglich des Alterungsverhaltens des Dämmmaterials (langsames Herausdiffundieren des Isoliergases, mit welchem das Dämmmaterial aufgeschäumt wurde).

Welche Art der Energieerzeugung ist Ihrer Meinung nach ideal, um ein Wärmenetz zu bedienen?

  • Geothermie, soweit kostengünstig verfügbar (also derzeit nur im Molassebecken rund um München)
    Zukünftig Solarthermie nach dänischen Beispiel. Das wäre im Prinzip überall möglich. Bei den jüngeren dänischen Projekten (Vojens) wird solare Wärme für nur 42 €/MWh bereitgestellt. Darin ist bereits ein saisonaler Wärmespeicher enthalten. Wird Förderung berücksichtigt, liegen die Kosten sogar noch geringer.
  • Wärmeauskopplung aus Gaskraftwerken oder gasmotorischen BHKW. (Die Wärmeauskopplung aus Kohlekraftwerken wird von mir nicht empfohlen. Die Stromerzeugung aus Kohlekraftwerke sollte aus Gründen des Klimaschutzes möglichst rasch reduziert werden. Wärmenetze sollten nicht dazu missbraucht werden, um die Nutzung von klimaschädlicher Kohle zu verlängern)
  • Nutzung von Biomasse-KWK. Dabei ist allerdings das knappe Angebot an national verfügbarer Biomasse und etwaige Nutzungskonkurrenzen (z.B. bei Biotreibstoffen oder der stofflichen Nutzung) zu berücksichtigen
  • Nutzung von fester Biomasse in Heizkesseln, aber nur in Verbindung mit Solarthermie. Letztere kann dann zu einem späteren Zeitpunkt, wenn sich die Grenzen des lokal verfügbaren Biomassepotenzials bemerkbar machen, weiter ausgebaut werden.
  • Nutzung von Großwärmepumpen soweit eine günstige Wärmequelle zur Verfügung steht und das Wärmenetz keine hohen Vorlauftemperaturen benötigt. Diese Option wird zunehmend interessanter, je mehr erneuerbarer Strom, insbesondere Windstrom, ins öffentliche Netz eingespeist wird.
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Können Sie eine kurze Einschätzung zu Dänemark geben und ob eine Entwicklung wie dort hier überhaupt möglich wäre?

Technisch gesehen ist das, was in Dänemark möglich ist, natürlich auch in Deutschland möglich. Dänemark ist sogar weniger dicht besiedelt als Deutschland, was sich in geringeren Siedlungsdichten und, daraus folgend, geringeren Wärmebelegungsdichten bemerkbar macht. Trotzdem sind 62% der dänischen Wohnungen an die Fernwärme angeschlossen. Tendenz zunehmend. Es werden jetzt auch bisher mit Gas versorgte Gebiete auf Fernwärme umgestellt (da es in DK eigentlich einen Gebietsschutz gibt, bekommt der Gasversorger, dem der Kunde weggenommen wird, dafür vom Fernwärmeversorger eine finanzielle Kompensation). Diese Aktivitäten sind kompatibel mit dem dänischen Ziel, schon bis zum Jahr 2035 die gesamte Wärme- und Stromversorgung auf erneuerbare Energien umzustellen.

Der wichtigste Unterschied zu Deutschland ist, dass in Dänemark Dänen wohnen. Diese arbeiten traditionell besser zusammen. Es werden der Konsens und die Gemeinschaft gesucht. In der Politik macht sich diese dadurch bemerkbar, dass sich die dänischen Parteien häufig auf einen Regierungschef einigen, der noch nicht einmal von der Partei ist, die die meisten Stimmen auf sich vereinigen konnte. Bei der Energiepolitik ist dies daran erkennbar, dass es einen parteiübergreifenden Konsens über die Zukunft der Energieversorgung gibt. Eine neue Zusammensetzung des Parlaments hat daher keinen Einfluss auf die Energiepolitik. Auf Konsens und Langfristigkeit angewiesene Versorgungsoptionen wie die Fernwärme profitieren davon. Technisch machte sich die dänische Bereitschaft zur Zusammenarbeit z.B. dadurch bemerkbar, dass schon in den 50er Jahren im ländlichen Raum eine größere Anzahl von Fernwärmeunternehmen gegründet wurde. In späteren Jahren wurden die Dänen Vorreiter bei großen Biogasgemeinschaftsanlagen.

Auch in Dänemark hat es viele Jahrzehnte gedauert, bis die Fernwärme die heutige Bedeutung erlangt hat. Viel schneller kann es auch in Deutschland nicht gehen. Deutschland hat heute mit zusätzlichen Problemen beim Ausbau von Fern- und Nahwärme zu kämpfen, da in der Vergangenheit günstige Gelegenheiten versäumt wurden. Der Ausbau der dänischen Fernwärme wurde zu guten Teilen durch die wirtschaftlichen Vorteile der KWK finanziert. Die eingesetzten Brennstoffe Gas und Kohle waren billig und der verkaufte Strom teuer. Bei den heutigen geringen Stromkosten kann die KWK finanziell kaum mehr zum Ausbau der Fernwärme beitragen. Auch herrscht in Deutschland im Heizungsmarkt ein Verdrängungswettbewerb, den es in Dänemark so nie gab. In den50er Jahren war ohnehin eine Umstellung von den damalig dominierenden Feststofffeuerungen auf komfortablere Heizungssysteme erforderlich. Und seit 1979 gibt es in Dänemark ein Wärmegesetz, welches den Kommunen die Erstellung von langfristig orientierten Wärmeplänen vorschrieb – sehr zum Nutzen der Fernwärme.

Und nun meine kurze Einschätzung: Ja, langfristig halte ich auch in Deutschland eine Entwicklung wie in Dänemark für möglich. Der erste Schritt hierzu wäre, dass auch hierzulande – so wie in Dänemark seit langem – es die Kommunen als ihre Aufgabe sehen, die Wärmeversorgung ihrer Bürger langfristig zu sichern und zwar auf der Basis von erneuerbaren Energien. Und damit Schwung in die Sache kommt, wären diese Wärmepläne so zu strukturieren, dass sie

  1. Mit den Wärmeplänen der Nachbarkommune leicht vergleichbar sind (Wettbewerb)
  2. Sich die Beiträge der einzelnen Kommune zum Klimaschutz leicht aufaddieren lassen, sodass sich eine Summe ergibt, aus der sich der Gesamtbeitrag Deutschlands zum Klimaschutz ergibt (z.B. müsste durch die Strukturierung die Gefahr von Doppelzählungen vermieden werden)
  3. Die Möglichkeiten, die zur Nutzung erneuerbarer Energien auf dem Gebiet der Gemeinde vorhanden sind, so aufzeigen, dass sich erkennen lässt, welcher Beitrag zum Klimaschutz von jeder Gemeinde realistisch erwartet werden kann (Gerechtigkeit und die Möglichkeit, nationale Ziele auf die Gemeindeebene herunterzubrechen).