Für die Erzeugung klimafreundlicher Fernwärme stehen zahlreiche Möglichkeiten zur Verfügung:
Erneuerbare Energien
Um das Klima weiter zu schonen, werden neben effizienten Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen auch vermehrt erneuerbare Energien in die Wärmeerzeugung von Wärmenetzen eingebunden. Durch die Nutzung erneuerbarer Wärme können so in kürzester Zeit signifikante CO2-Einsparungen erzielt werden. Hierfür werden entweder klimaschonende Brennstoffe wie Biomasse oder Biomethan eingesetzt, aber auch Umweltwärmequellen oder Abwärmequellen lassen sich sinnvoll in Wärmenetze integrieren. Wie das genau im Einzelnen funktioniert, wird im Folgenden beschrieben:
Bei vielen industriellen Prozessen, beispielsweise bei der Herstellung von Stahl und Glas, aber auch bei der Bereitstellung von Rechenleistung in Rechenzentren, entstehen große Mengen Abwärme als ein unerwünschtes Nebenprodukt. Diese überschüssige Wärme kann, mithilfe von Wärmeübertragern, in ein Wärmenetz eingebunden werden. Sie wird somit einer sinnvollen Nutzung zugeführt, indem sie für das Heizen von Gebäuden verwendet wird, statt sie einfach ungenutzt an die Umwelt abzugeben. Liegt die Abwärme prozessbedingt auf einem vergleichsweise geringen Temperaturniveau vor, kann durch zusätzliche Nutzung einer Wärmepumpe die Temperatur auf das nötige Niveau angehoben werden. Abwärme kann somit in Wärmenetzen effektiv recycelt werden und Teil eines klimafreundlichen Erzeugerparks sein.
Bei der Tiefen-Geothermie - genauer der hydrothermalen Tiefen-Geothermie - kann die Wärme aus Thermalwasser in mehreren Tausend Metern Tiefe zur Versorgung der Fernwärmekunden genutzt werden. Die Temperatur des Thermalwassers kann dabei bis zu 140 ºC betragen und eignet sich somit sehr gut für die Wärmeversorgung. Durch sogenannte Saugbohrungen wird das Wasser an die Oberfläche in die Heizzentrale gefördert, wo es die Wärme an das angeschlossene Wärmenetz abgibt. Das abgekühlte Wasser wird durch Injektionsbohrungen wieder dem Erdreich zugeführt, um unterirdisch eine gleichbleibende Wassermenge zu gewährleisten. Durch die Wärme im Inneren der Erde wird das zurückgeführte Wasser wieder aufgeheizt. Der Strom, den die Pumpen für die Beförderung der Wassermengen verbrauchen, ist um ein Vielfaches kleiner als die dadurch gewonnene Wärmemenge.
Bei der oberflächennahen Geothermie wird die im Erdreich gespeicherte Wärme aus den oberen Bodenschichten zur Wärmeversorgung genutzt. In Tiefen von bis zu etwa 400 Metern herrschen ganzjährig relativ konstante Temperaturen, die über Erdsonden, Erdwärmekollektoren oder Grundwasserbrunnen erschlossen werden können. Die gewonnene Wärme weist in der Regel ein moderates Temperaturniveau auf und wird mithilfe von Wärmepumpen auf die für Heizzwecke benötigten Temperaturen angehoben. So kann die Umweltwärme effizient für Gebäudeheizungen oder kleinere Nahwärmenetze genutzt werden. Durch die ganzjährige Verfügbarkeit der Erdwärme und die nahezu unbegrenzte Ressource bietet die oberflächennahe Geothermie eine verlässliche und emissionsarme Möglichkeit der Wärmebereitstellung, die insbesondere in dicht besiedelten Gebieten zunehmend an Bedeutung gewinnt.
Großwärmepumpen nutzen thermische Energie aus einer beliebigen Wärmequelle auf einem geringen Temperaturniveau und machen diese auf einem höheren Temperaturniveau für die weitere Verwendung in der Fernwärme nutzbar. Möglich wird dies durch einen Kältemittelkreis mit entsprechenden Wärmeübertragern - ausgeführt als Verdampfer und Kondensator. In der Regel werden diese Anlagen mit Strom betrieben, weshalb Wärmepumpen sich auch ideal als Technologie der Sektorenkopplung eignen.
Die Möglichkeiten der Wärmequellen sind nahezu endlos. So eignen sich bspw. Umweltwärmequellen wie Luft, Flusswasser, Seen oder auch Grundwasser. Aber auch andere klimaschonende Wärmequellen wie Klarwasser (gereinigtes Abwasser), Abwärme aus Rechenzentren oder Abwärme aus anderen gewerblichen und industriellen Prozessen kommen in Frage. Aufgrund der besonders hohen Effizienz ist diese Technologie ein wichtiger Baustein der Wärmewende.
Solarthermische Anlagen, wie man sie bereits häufig auf Hausdächern sieht, eignen sich ebenfalls für die großflächige Anwendung in der Fernwärme. Solaranlagen nutzen die Strahlungsenergie der Sonne und wandeln diese emissionsfrei in Nutzwärme um. Hierfür werden die Kollektoren von Wasser oder einem Wasser-Glycol-Gemisch durchströmt, wobei sich die Temperatur stetig erhöht. Über einen Wärmeübertrager kann die thermische Energie aus dem Solarkollektor-Feld in das Wärmenetz eingespeist werden. Durch die Verwendung großer Anlagen lassen sich wichtige Skaleneffekte nutzen, die im kleinen Maßstab nicht genutzt werden können. Solarthermische Anlagen in der Fernwärme können wenige hundert bis mehrere tausend Quadratmeter Kollektorfläche aufweisen.
Power-to-Heat-Anlagen ermöglichen die direkte Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme. Sie stellen daher auch eine wichtige Technologie der Sektorenkopplung dar und verbinden den Strom- und Wärmesektor. Besonders relevant ist der Einsatz von Power-to-Heat, wenn in Zeiten hoher Erzeugung aus Wind- und Solaranlagen mehr Strom produziert wird, als das Stromnetz unmittelbar benötigt. Diese Überschussmengen können gezielt in Nutzwärme umgewandelt und in Fernwärmenetze eingespeist werden, anstatt sie abzuregeln. So trägt Power-to-Heat zur Stabilisierung des Stromnetzes bei. Durch die Kombination mit Wärmespeichern lässt sich die erzeugte Wärme zudem zeitlich flexibel nutzen, wodurch die Effizienz und Klimafreundlichkeit der Wärmeversorgung weiter erhöht wird.
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
Bei Kraft-Wärme-Kopplung handelt es sich um eine Technik, welche die Erzeugung von Strom und Wärme kombiniert. Die eingesetzte Energie wird dabei weit effektiver ausgenutzt als bei getrennter Strom- und Wärme-Erzeugung. Entsprechend geht eine deutlich geringere Belastung der Umwelt damit einher. Die Energieeinsparung gegenüber der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme liegt zwischen 30 und 50 Prozent. Das ist ökologisch und volkswirtschaftlich höchst sinnvoll.
In der Kraft-Wärme-Kopplung können konventionelle Brennstoffe wie beispielsweise Erdöl oder Erdgas, aber auch erneuerbare Energien eingesetzt werden. Da Wärme jedoch im Gegensatz zu Strom nicht wirtschaftlich sinnvoll über größere Strecken transportiert werden kann, wird das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung im Wesentlichen in Ballungsgebieten angewendet. Dabei können unterschiedliche Technologien zum Einsatz kommen, über die sich der technisch Interessierte im Folgenden informieren kann.
KWK-Brennstoffe:
Bei der thermischen Abfallbehandlung wird die in Siedlungs- oder Gewerbeabfällen enthaltene Energie zur Erzeugung von Wärme und Strom genutzt. In speziellen Müllheizkraftwerken werden die Abfälle unter kontrollierten Bedingungen verbrannt, wobei die entstehende Wärme über Dampferzeuger und Wärmetauscher in Fernwärmenetze eingespeist wird. Neben der Wärmeproduktion wird gleichzeitig Strom erzeugt (KWK), wodurch eine besonders effiziente Nutzung der enthaltenen Energie erreicht wird. Durch moderne Rauchgasreinigungsanlagen werden Schadstoffe weitgehend entfernt, sodass die Emissionen deutlich unter gesetzlichen Grenzwerten liegen. Die thermische Abfallbehandlung trägt somit nicht nur zur Wärmebereitstellung bei, sondern auch zur Reduktion von Deponiemengen und zur Rückgewinnung wertvoller Materialien aus der Asche.
Biogene Energieträger wie Biomasse und Biomethan werden ebenfalls zur Versorgung von Fernwärmenetzen eingesetzt. Bei Biomasse erfolgt die Wärmeerzeugung durch die Verbrennung fester Brennstoffe wie Holzhackschnitzel, Pellets oder sonstigen hölzernen Abfallprodukten. Die dabei freigesetzte Wärme wird über Wärmeübertrager in das Netz eingespeist. Biomethan entsteht hingegen durch die Vergärung organischer Reststoffe wie Gülle, Bioabfälle oder Energiepflanzen in Biogasanlagen. Das Gas wird dann in Blockheizkraftwerken verfeuert und unter Nutzung von KWK-Technologie zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme genutzt. Beide Energieträger gelten als CO₂-neutral, da nur so viel Kohlendioxid freigesetzt wird, wie die Pflanzen zuvor beim Wachstum gebunden haben. Durch eine solche Nutzung regional verfügbarer Rohstoffe können fossile Energieträger ersetzt und die Versorgungssicherheit erhöht werden.
Auch fossile Brennstoffe wie Erdgas oder Kohle werden noch heute in Fernwärmesystemen zur Wärmeerzeugung eingesetzt. Durch ihre Verbrennung in Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen lässt sich zuverlässig und bedarfsgerecht Wärme bereitstellen. Dabei entstehen logischerweise auch CO₂-Emissionen. Im Rahmen der Dekarbonisierung wird daher angestrebt, den Anteil fossiler Energieträger konsequent zu reduzieren und sie schrittweise durch erneuerbare und klimaneutrale Wärmequellen zu ersetzen. Die Fernwärmeversorger entwickeln daher Transformationspläne, um bis spätestens 2045 eine treibhausgasneutrale Wärmeversorgung zu erreichen. Die Nutzung fossiler Brennstoffe stellt damit nur noch eine Übergangslösung dar und gilt spätestens ab 2045 als Auslaufmodell der Wärmeerzeugung. Mehr Informationen zu den Dekarbonisierungszielen der Fernwärmebranche finden Sie unter Wärmewende.