Kommunale Wärmewende klimafreundlich umsetzen

Klimaneutrale Wärme aus der Erde ist konstant verfügbar und kann daher einen erheblichen Beitrag zur zukünftigen Wärmeversorgung leisten.

Funktionsweise:  

Durch Bohrungen kann warmes oder heißes Thermalwasser aus dem Untergrund nach oben gefördert, die Wärme entzogen und wieder nach unten geleitet werden. Je nach Tiefe der Bohrung spricht man von oberflächennaher, mitteltiefer und tiefer Geothermie. Oberflächennahe Geothermie wird in Bohrtiefen bis zu 400 Meter genutzt. Zum Entzug der Erdwärme werden dabei bspw. Erdwärmesonden oder Kollektoren benutzt. Die mitteltiefe Geothermie erfolgt in Bohrtiefen von 400 bis 1.500 Meter. Zum Entzug der Erdwärme werden hier ebenfalls vor allem Erdwärmesonden genutzt. Von tiefer Geothermie spricht man bei einer Bohrtiefen ab 1.500 Meter. Die Erdwärme wird hier mittels hydrothermaler oder petrothermaler Technologie gewonnen. Bei der hydrothermalen Geothermie wird in tieferen Schichten gebohrt und es werden Dampf und Heißwasservorkommen mit hohen Temperaturen genutzt. Bei der petrothermalen Technologie wird in künstlich vergrößerte Risse und Klüfte unter hohem Druck Wasser eingepresst. Das Wasser erhitzt sich im etwa 200 Grad Celsius heißen Gestein und eine Förderbohrung pumpt das circa 90 bis 150 Grad Celsius heiße Wasser dann wieder an die Erdoberfläche.

Potenzial:

Die Nutzung von Geothermie ist standortabhängig, kann jedoch insgesamt einen hohen Beitrag zur Deckung des Wärmebedarfs leisten. Ende 2023 wurden in Deutschland rund 1,6 TWh Wärme mittels Tiefengeothermie bereitgestellt. Damit ist nur ein winziger Bruchteil des laut wissenschaftlichen Schätzungen technisch machbaren Potenzials von 300 TWh gehoben. Die konkrete Eignung eines Standorts kann hierbei ausschließlich über bohrtechnische Aufschlüsse sichergestellt werden. Diese verbleibende Unsicherheit vor der Probebohrung wird als Fündigkeitsrisiko bezeichnet und stellt oft ein Hemmnis bei der Finanzierung teurer Erstbohrungen dar. Dieses Fündigkeitsrisiko kann beispielsweise durch eine Bürgschaft des Landes abgesichert werden.  

Ökologische Risiken:

Durch Nutzung dieser Energiequelle kann nahezu emissionsfrei und unabhängig vom Wetter Strom, Wärme oder Kälte erzeugt werden. Für die Geothermie-Nutzung sind jedoch detaillierte Überprüfungen der berg-, wasser- und umweltschutzrechtlichen Anforderungen erforderlich, beispielsweise hinsichtlich der Einflussnahme auf Wasserschutzgebiete. Darüber hinaus ist ein Auslösen seismischer Aktivitäten (kleine „Erdbeben“) durch Geothermie in tiefen Schichten nicht gänzlich auszuschließen. Die Wahrscheinlichkeit von Auswirkungen dieser Aktivitäten auf Gebäude, z. B. Rissbildung, ist bei Einhaltung der bestehenden Vorschriften und Regelungen sowie Beachtung des aktuellen Stands der Technik sehr gering.

Als NABU sprechen wir uns für eine Förderung von hydrothermaler Tiefengeothermie aus, bei der im bestimmungsgemäßen Betrieb keine umweltschädlichen Wirkungen zu erwarten sind. Die petrothermalen Geothermie, bei der künstlich ein Kluftsystem geschaffen werden muss, ist hingegen hinsichtlich ihrer Umweltauswirkungen noch nicht ausreichend erforscht.  

Beispiele:
Geothermie wird in größerem Maße unter anderem in den Städten München und Potsdam genutzt.

Flüsse, Seen und Meere sind günstige Wärmelieferanten für eine erneuerbare Wärmeversorgung. Ökologische Risiken für die Gewässer sollten jedoch im Vorfeld untersucht und ausgeschlossen werden.

Funktionsweise:  

Um die Wärme aus den Gewässern für die Fernwärmeerzeugung nutzbar zu machen, wird das Flusswasser abgekühlt und somit Wärmeenergie entzogen. Die Flusswärme wird mittels einer Hochtemperatur-Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und kann dann in das Fernwärmenetz eingespeist werden. Das Flusswasser hat eine bessere Wärmespeicherkapazität als Luft und reagiert weniger stark auf kurzfristige Wetter- bzw. Temperaturveränderungen.

Potenzial:

Eine genaue bundesweite Aufschlüsselung über die verfügbaren Wärmepotenziale gibt es bisher leider nicht. Potenzialstudien in verschiedenen Städten haben aber aufgezeigt, dass Fluss- bzw. Seewärmepumpen einen signifikanten Beitrag zur Deckung des Fernwärmebedarfs leisten können. Gewässer eignen sich insbesondere in den Übergangsmonaten, im Herbst und im Frühjahr, als Wärmequellen und weniger in extremen Wettersituationen.

Ökologische Risiken:

Grundsätzlich sollte Flüssen, Seen und Meeren nur so viel Wärme entzogen werden, dass sich dies nicht nachteilig auf das Ökosystem auswirkt. Wir empfehlen eine Erforschung des Potenzials sowie eine angemessene ökologische Begleitforschung und ein Impact Assessment zur Risikoanalyse von Auswirkungen und Folgenabschätzung auf die Gewässerökologie.

Beispiele:

Größere Flusswärmepumpen sind in immer mehr deutschen Städten geplant, unter anderem in Köln, Hamburg, Berlin, Dresden oder Flensburg geplant.

Mit Temperaturniveaus zwischen 13 Grad und 20 Grad Celsius bietet Abwasser ein erhebliches Wärmepotenzial, das durch Wärmepumpen nutzbar gemacht werden sollte.

Funktionsweise:  

Abwasser fällt in der Form von Niederschlagswasser sowie häuslichem und betrieblichem Schmutzwasser an. Mittels Wärmepumpen kann dem durch Dusch-, Bade- und Spülwasser erwärmten Abwasser Wärmeenergie entzogen werden, wodurch sich dieses um wenige Kelvin abkühlt. Die Hochtemperatur-Wärmepumpen heben die Abwasser-Wärme dann auf eine für die Fernwärme geeignete Nutztemperatur an. Die Wärmeentnahme aus dem Abwasser ist dabei nicht uneingeschränkt, da das Abwasser am Eintritt zur Kläranlage eine Temperatur von acht Grad Celsius nicht unterschreiten darf, damit die Faulungsprozesse in den Kläranlagen weiterhin effizient ablaufen können.

Potenzial:  

Häusliches und betriebliches Schmutzwasser verfügt auch während der Heizperiode über Temperaturen von 10-15°C und bietet sich damit nicht nur im Sommer, sondern auch im Winter als Wärmequelle an. Hinzu kommt, dass es in der ganzen Stadt vorhanden ist. Schätzungen über das technische Potenzial der Wärmenutzung aus Abwasser belaufen sich auf ein technisch-ökonomisches Potenzial von 21,7- 32,7 TWh Nutzwärme. Insbesondere in großen Städten, in denen Abwasseraufkommen und Wärmebedarf räumlich dicht beieinander liegen, können über das Abwasser große Wärmemengen erschlossen werden. Zur Nutzung der Restwärme des Abwassers steht an erster Stelle die Identifikation und Quantifizierung der entsprechenden Potenziale beispielsweise im Rahmen eines Abwasserwärmeatlasses.

Beispiele:

Ein besonders ambitioniertes Beispiel für die Nutzung bietet die Stadt Wien, dort sollen mit Hilfe von sechs großen Wärmepumpen mehr als 100.000 Haushalte versorgt werden.

Wärme entsteht, indem Wasser in einem Elektrodenheizkessel erhitzt wird. Jedoch ist diese Technologie deutlich ineffizienter als der Einsatz von Wärmepumpen.

Funktionsweise:

Die einfachste Form der elektrischen Wärmeerzeugung funktioniert wie ein riesiger Wasserkocher: Strom wird genutzt, um Wasser zu erhitzen. Insbesondere überschüssiger Wind- oder auch Sonnenstrom kann hierfür genutzt werden. Das warme Wasser kann dann gespeichert und nach Bedarf abgegeben werden.  

Die Umwandlung von Strom zu Wärme erfolgt in großen Erzeugungsanlagen durch die Technik eines Elektrodenheißwasserkessels. Die Technik basiert auf dem Elektrolyseverfahren, bei dem eine elektrische Wechselspannung an das Wasser in den Kesseln angelegt wird. Das Wasser leitet einen Teil des Stroms und setzt einen größeren, als ohmscher Widerstand, in Wärme um. 

Power-to-Heat kann einen Beitrag zur Stabilisierung des Stromsystems leisten. Durch den steigenden Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung in Deutschland nimmt auch die Fluktuation der Stromeinspeisung zu. Die erneuerbaren Stromquellen richten ihre Einspeisung nicht nach dem Strombedarf der Verbrauchenden, sondern sind wetterabhängig. Dies führt dazu, dass zeitweise deutlich mehr Strom in die Netze eingespeist wird, als zur gleichen Zeit verbraucht wird. Statt den erneuerbaren Strom abzuregeln, kann er von Power-to-Heat-Anlagen aufgenommen und als Wärme gespeichert werden.

Potenzial:

Die Nutzung von Power-to-Heat sollte insbesondere durch überschüssigen Wind- oder auch Sonnenstrom erfolgen. Wie hoch das nutzbare Potenzial ist, hängt demnach auch davon ab, wie viel Überschussstrom aus erneuerbaren Energien zur Verfügung steht, was wiederum auch von den regionalen Gegebenheiten abhängt. Schätzungen für das Jahr 2035 gehen von jährlich zur Verfügung stehendem Überschussstrom in der Höhe von 20 TWh aus. Zwar ist davon auszugehen, dass Power-to-Heat-Anlagen insgesamt keine zentrale Rolle bei der Wärmebereitstellung spielen werden. Regional können sie jedoch für einen gewissen Zeitraum ein wichtiger Baustein zur Nutzung von erneuerbarem Strom sein.

Beispiele:

Größere Power-To-Heat Anlagen gibt es beispielsweise in Berlin und Rostock.

Solarthermie nutzt die Sonnenenergie und ist eine klimafreundliche Alternative mit einem hohen Wirkungsgrad, die mit einem Speicher genutzt werden sollte.

Funktionsweise:  

Solarthermie nutzt die Strahlungsenergie der Sonne. Hierfür wird eine Flüssigkeit, die in den Solarthermiekollektoren zirkuliert, durch die Sonnenstrahlung erwärmt. Diese Wärme wird mittels eines Wärmeübertragers direkt genutzt oder an einen Speicher abgegeben. Die so abgekühlte Flüssigkeit wird anschließend in den Kollektoren wieder erwärmt. Der Vorteil der Solarthermie ist ihr hoher Wirkungsgrad. So können 40-60 % der Sonnenenergie in nutzbare Wärme umgewandelt werden. Verluste entstehen hingegen bei der Speicherung der Wärme. Da die meiste Wärme im Sommer produziert wird, jedoch erst im Winter am meisten benötigt wird, werden große saisonale Speicher nötig sein.

Potenzial:

Mit einem prognostizierten Potenzial von ca. 100 TWh jährlicher Nutzwärme könnte die Solarthermie einen wichtigen Beitrag zur Deckung unseres Wärmebedarfs leisten.

Insbesondere in Deutschland steht die Freiflächennutzung durch Solarthermie aufgrund der hohen Bevölkerungs- und Bebauungsdichte jedoch in starker Konkurrenz zu anderen Flächennutzungen wie Wohnbebauung oder Landwirtschaft. Durch ausgewählte Standorte können Flächennutzungskonflikte abgeschwächt werden. Da der Flächenverbrauch der Solarthermie deutlich geringer ist im Vergleich zu Energiepflanzen, könnte Solarthermie aber auch möglicherweise auf Ackerflächen installiert werden, die momentan für Energiepflanzen genutzt werden. Sie können bei guter Ausgestaltung sogar einen Mehrwert für den Umweltschutz bieten. Auch eine kombinierte Nutzung von Solarthermie und Landwirtschaft, ähnlich wie sie bei der Photovoltaik bereits Praxis ist, wäre denkbar. Um größere Freiflächen-Solarthermie-Anlagen bauen zu können, müssen dafür vorerst die notwendigen Flächen identifiziert und für die solarthermische Nutzung und Speicherung verfügbar gemacht werden. Darüber hinaus müssen genehmigungsrechtliche und sicherheitstechnische Anforderungen hinsichtlich der großflächig bebauten Areale und der großen Speichermengen frühzeitig geprüft werden.

Beispiele:

Besonders an den Stadträndern, wo größere Flächen vorhanden sind, können auch Solarthermieparks vor allem in den Sommermonaten große Mengen an Fernwärme erzeugen. In Deutschland gibt es ein größeres Projekt in Senftenberg. Insbesondere in Dänemark wird Solarthermie stark genutzt. Die weltgrößte Anlage steht im dänischen Silkeborg, wo Solarthermie es schafft, 20 Prozent des Wärmebedarfs einer Stadt mit rund 48.500 Einwohner*innen zu decken.

Industrielle Abwärme sollte nicht an die Umwelt abgegeben, sondern für die Wärmeversorgung genutzt werden.

Funktionsweise:  

In vielen industriellen Prozessen entsteht Abwärme, die häufig verpufft. Sie kann für die Wärmeversorgung genutzt werden. Jedoch sollten vor einer Nutzbarmachung der industriellen Abwärme immer Klimaschutz-fördernde Maßnahmen für die industriellen Prozesse selber vorangehen. Das bedeutet, dass Effizienz- und Elektrifizierungspotenziale zuvor angehoben werden und möglichst auf erneuerbare Energien umgestiegen wird. Unvermeidbare Abwärme kann dann durch den Bau von Trassen für die Wärmeversorgung nutzbar gemacht werden. Ihr Bau ist oftmals mit längeren Genehmigungsverfahren und entsprechenden Investitionen verbunden. Über die Trassen kann die Abwärme dann aus den abgelegenen Industrieanlagen zu den Endverbraucher*innen transportiert werden.

Potenzial:

Da Industrieprozesse sehr unterschiedlich ablaufen, muss individuell vor Ort geprüft werden, welche Wärmemenge auf welchem Temperaturniveau zur Verfügung steht. Das Temperaturniveau kann stark variieren: Abwärme aus Hochtemperaturprozessen kann beispielsweise ohne weitere Temperaturanhebung ins Wärmenetz eingespeist werden, während bei niedriger Abwärme-Temperatur eine zusätzliche Wärmepumpe notwendig wird. Außerdem liegen Abwärmepotenziale nicht immer kontinuierlich vor, so dass auch die Aufnahme großer Wärmemengen in kurzer Zeit eine Herausforderung sein kann. Besonders hoch sind die Potenziale in Betrieben mit Hochtemperatur-Anwendungen (> 400 °C). Stahl-, Zement- und Aluminiumwerke oder ähnliche Industrien bieten sich demnach besonders an.

Beispiele:

Industrielle Abwärme wird bereits in verschiedenen Städten für die Wärmeversorgung genutzt. Eines der größten Projekte gibt es in Hamburg, Deutschlands umsatzstärkstem Industriestandort.

Abwärme aus Rechenzentren sollte nicht an die Umwelt abgegeben, sondern für die Wärmeversorgung genutzt werden.

Funktionsweise:  

Rechenzentren nutzen große Mengen an Strom im Betrieb der Server, Speicher und Netzwerke sowie der notwendigen Infrastruktur für Kühlung, Brandschutz und Beleuchtung. Üblicherweise werden Rechenzentren mit Luft gekühlt. In ihrem Betrieb wird der Strom zu Wärme umgewandelt und über ein Kühlsystem abgetragen, um die Überhitzung der Geräte zu verhindern. Die erzeugte Abwärme ließe sich für die Fernwärmeversorgung gut nutzen. Für die Abwärmenutzung stehen hier auch im Winter mit 25-30 °C recht hohe Quelltemperaturen zur Verfügung. Mittels Wärmepumpen lassen sich diese auf das benötigte Temperaturniveau anheben. Anders ist das bei der Heißwasserkühlung. Heißwasserkühlung ist effizienter als Luftkühlung und wird schon heute in vielen Serversystemen eingesetzt. Für die Wärmeerzeugung hat sie den Vorteil, dass Wasser auf einem Temperaturniveau von 60°C zur Verfügung gestellt werden kann. Für viele Anwendungen kann dann auf das Nachheizen mittels Wärmepumpe verzichtet werden.

Potenzial:

Im Gebrauch von Rechenzentren stecken riesige Potenziale für die Fernwärmeversorgung. Aufgrund der fortschreitenden Digitalisierung ist mit einem enormen Neubau von Rechenzentren zu rechnen. Bereits 2022 gab es in Deutschland mehr als 3.000 große Rechenzentren, die Gesamtzahl der Rechenzentren und IT-Installationen liegt sogar bei über 50.000. Bislang wird die Abwärme aus Rechenzentren allerdings zu selten genutzt. Die Erschließung dieser Potenziale setzt die Offenheit der Betreiberfirmen für die technische Umsetzung und langfristige Lieferverträge mit Wärmeversorgern voraus. Wird eine Wärmeabnahme über ein Fernwärmenetz bereits in der Planungsphase berücksichtigt, ist dies für beide Seiten wirtschaftlich vorteilhaft. Gerade beim Neubau von Rechenzentren ist es deshalb wichtig, die Abwärmenutzung gleich einzuplanen.

Beispiele:  

Größere Projekte, die eine funktionierende Umsetzung zeigen, gibt es in Stockholm und Greifswald.

Funktionsweise:

Wärmepumpen nutzen elektrischen Strom, um Wärme aus der Umgebungsluft oder Wasser mittels Verdichtung weiter zu erhitzen. Sie funktionieren damit wie ein umgekehrter Kühlschrank, nur dass Wärmepumpen der Umgebung Wärme und nicht Kälte entziehen. Dafür nutzen sie ein Kältemittel, das durch die von außen herein geleitete Wärme verdampft wird. Durch einen Elektromotor wird das gasförmige Kältemittel verdichtet, wodurch sich die Temperatur erhöht und anschließend nutzbar wird. Indem sich das Mittel wieder verflüssigt, wird die Wärme schließlich an die Heizungsanlage abgegeben. Das Kältemittel verbleibt in einem Kreislauf in der Wärmepumpe, wird also als nächstes wieder durch Umgebungswärme aufgewärmt. Wärmepumpen sind sehr effizient und erreichen Wirkungsgrade von deutlich mehr als 100 Prozent, das heißt aus 1 Kilowattstunde Strom können mehrere Kilowattstunden Wärme werden.  

Wärmepumpen können in Einzelhäusern genutzt werden, jedoch sind sie auch der zentrale technologische Baustein zur Dekarbonisierung der Fernwärme.

Potenzial:

Ein Forschungsprojekt zur Potenzialerhebung hat aufgezeigt, dass etwa 75 Prozent der bestehenden Gebäude mit einer Wärmepumpe beheizt werden können. Die größten Potenziale haben dabei Luft-Wärme-Pumpen und Erdsonden-Wärmepumpen. Am häufigsten ist der Einbau von Luft-Wärmepumpen. Hier sind die Anschaffungskosten und die benötigten Genehmigungen geringer. Allerdings fallen bei ihnen die Betriebskosten höher aus. Es wird also mehr Strom benötigt, um die gleiche Menge an Wärme bereitzustellen. Erdsonden-Wärmepumpen nutzen dagegen die höhere Wärme in Tiefen von 100 bis 400 Metern aus. Da in ihnen weniger Strom zur Verdichtung des Kältemittels benötigt wird, sind sie besonders effizient.

Beispiele:

In immer mehr neuen Wohngebäuden in Deutschland werden Wärmepumpen zum Heizen genutzt. Knapp zwei Drittel der 2023 fertiggestellten knapp 96.800 Wohngebäude nutzten Wärmepumpen zur primären, also überwiegend für das Heizen eingesetzten Energie.