Technologien – Passend für jeden Anwendungsfall

Von kalten Nahwärme-Netzen spricht man bei einem Wärmenetz, das in einem Temperaturbereich unter 30°C betrieben wird. Bei dieser besonderen Form der Wärmenetze wird mittels Wärmequelle (meist Erdwärme) ganzjährig eine konstante Temperatur von etwa 12°C im Netz eingestellt.  

Die aus z.B. dem Erdreich gewonnene thermische Energie wird an ein Wärmeträgermedium übertragen, welches direkt im kalten Nahwärmenetz zirkuliert. Die einzelnen Verbraucher (Häuser) werden an das Netz angeschlossen. Mittels Sole/Wasser-Wärmepumpe wird die Temperatur dezentral auf das benötigte Niveau angehoben. Die kalte Nahwärme liefert so eine konstante Quelltemperatur für die Wärmepumpen, die dadurch ganzjährig besonders effizient betrieben werden können.  

Kalte Nahwärmenetze eignen sich besonders gut für Neubaugebiete und gewinnen in der heutigen Zeit immer mehr an Bedeutung, nicht zuletzt, da kaum Schallemissionen entstehen im Vergleich zu Luft/Wasser-Wärmepumpen, die Wärmegewinnung in unmittelbarer Nähe erfolgt und die Abhängigkeit von externen Energien sinkt. Über den eigengenutzten PV-Strom in der Wärmepumpe kann die Autarkie noch weiter erhöht werden. 

Ein weiterer entscheidender Vorteil ist, dass in den Sommermonaten über passive Temperierung eine Kühlung der Gebäude erfolgen kann. Hierbei wird die Wärme aus den Bauwerken an das kalte Nahwärmenetz abgegeben. Da dies netzdienlich ist, steht diese Art der Kühlung fast kostenlos zur Verfügung.

Mit Wärmepumpen ist es möglich, Umweltwärme nutzbar zu machen, welche uns kostenlos zur Verfügung steht.

Hierbei können unterschiedlichste Wärmequellen wie beispielsweise Außenluft, (Ab-) Wasser, Erdwärme oder Abwärme verwendet werden, um nur einige zu nennen.  

Das macht Wärmepumpen flexibel einsetzbar für unterschiedlichste Anforderungen und Einbausituationen.  

Somit stellen Wärmepumpen eine Schlüsseltechnologie auf dem Weg zur klimaneutralen Wärmeversorgung dar. 

Die Technologie ist ausgereift und schon seit langem in nahezu jedem Haushalt zu finden, denn eine Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank. Eine Wärmeträgerflüssigkeit wird zur Wärmequelle geleitet. Durch die Wärmeaufnahme verdampft das Kältemittel. Bei der anschließenden Kompression des Kältemittels wird das Trägermittel verflüssigt, dabei wird Wärme freigesetzt. Das Grundprinzip ist stets dasselbe. Unabhängig davon, welche Wärmequelle genutzt wird. 

Wärmepumpen finden auch Anwendung in Wärmenetzen. Hierbei werden zwei Anwendungsfälle unterschieden. Der Einsatz einer zentralen Groß-Wärmepumpe, die in ein Wärmenetz einspeist oder der dezentrale Temperaturhub auf die gewünschte Temperatur in den einzelnen Verbrauchsstellen, wobei das Wärmenetz als Wärmequelle fungiert. 

Eine oft unterschätzte Wärmequelle ist die Abwärme. Sie fällt vielerorts als "Abfallprodukt" an. Beispiele hierfür sind Industrieprozesse, Biogasverstromung, Abfallwirtschaft, Rechenzentren oder auch Abwasser. 

Zum Schutz der Umwelt muss nicht selten die anfallende Wärme sogar heruntergekühlt werden, bevor sie an die Umwelt abgegeben werden darf.  

In diesen Fällen ist die Nutzung der Abwärme doppelt sinnvoll, da neben der Vermeidung des CO₂-Ausstoßes von konventionellen Wärmeerzeugern auch die Kühlung der Abwärme vermieden werden kann. 

Oft sind die Abwärme-Quelle und die Wärmesenke nicht in unmittelbarer Nähe. 

Mithilfe von Wärmenetzen kann es gelingen, die anfallende Abwärme dorthin zu transportieren, wo sie benötigt wird. 

Dabei kann die Abwärme als alleinige Wärmequelle dienen, sodass der Einsatz einer klassischen Wärmeerzeugungsanlage hinfällig ist, oder die Abwärme wird als zusätzliche Wärmequelle in ein Wärmenetz mit eingebunden. Neben der Einsparung an CO₂ spart dies zusätzlich Flächen ein. Entscheidend hierfür ist in welcher Menge und welchem Temperaturniveau die Abwärme anfällt und welchen Bedarf die Wärmesenke hat. 

Ein weiterer Vorteil der Abwärmenutzung ist die Tatsache, dass die Abwärme i.d.R. nicht abhängig von Wind oder Sonne ist und meist konstant anfällt. Somit stellt sie eine wichtige Ergänzung dar. 

Aus diesem Grund kann die Nutzung der Abwärme einen entscheidenden Teil zur klimaneutralen Wärmeversorgung beitragen.

Holzheizungen kommt durch ihr breites Anwendungsfeld eine wichtige Rolle bei der Wärmewende zu. Gerade für Bestandsgebäude, welche bedingt durch ihre Bauart meist höhere Vorlauftemperatur benötigen als beispielsweise Neubauten, sind Holzheizungen sehr gut geeignet. Aber auch für den Einsatz in Wärmenetzen zur alleinigen Wärmeerzeugung oder in Kombination mit anderen erneuerbaren Energien als beispielsweise Spitzenlastabdeckung haben sich Holzheizungen etabliert und bewährt.

Somit eignen sich Holzheizungen sowohl für Einzelanwendungen als auch zur Versorgung ganzer Quartiere für nahezu jeden Anwendungsfall.

Der nachwachsende Rohstoff ob als Stückholz, Holzhackschnitzel, Pellet oder Holzbriketts gilt durch seine Eigenschaft, dass bei seiner Verbrennung nur so viel CO₂ freigesetzt wird, wie während des Wachstums eingelagert wird als besonders umweltfreundlich.

Wenn das Holz zusätzlich über kurze Transportwege aus dem näherliegenden Umfeld oder sogar dem eigenen Gemeindegebiet stammt, hilft dies zusätzlich, CO₂ zu sparen und die Wertschöpfung in der Region zu festigen.

Bei der Solarthermie-Technik wird Sonnenenergie nutzbar gemacht, das macht die Solarthermie besonders umweltfreundlich. Dabei wird in unseren Breiten i.d.R. eine Wärmeträgerflüssigkeit, welche durch einen Sonnenkollektor strömt, mithilfe von Sonnenenergie erwärmt. Diese Wärme wird anschließend über einen Wärmetauscher vom Wärmeträgermedium an das Brauchwarmwasser und/oder Heizungswasser abgegeben. Da die meiste Sonnenstrahlung üblicherweise dann anfällt, wenn der Wärmebedarf in den Gebäuden gering ist, werden Solarthermieanlagen in Verbindung mit Pufferspeichern eingesetzt. Die Speicher helfen, die Wärme zu halten, bis sie gebraucht wird.  

Solarthermieanlagen gibt es in verschiedenen Größenordnungen und Ausführungen, je nach Anwendungsbereich, wobei das Grundprinzip stets dasselbe ist. Von der Einzelanlage auf dem Einfamilienhaus zur Heizungsunterstützung, für Schwimmbäder zur kompletten Wärmeabdeckung, bis hin zu Großflächenanlagen, die als Teil von Wärmenetzen ganze Quartiere mit Wärme versorgen. 

Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) zeichnet sich durch die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme aus. Dadurch können in diesen Anlagen Wirkungsgrade von über 90% erreicht werden, welche weitaus höher liegen als die ungekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung. Durch die effizientere Betriebsweise sinken der Brennstoffbedarf und damit auch die Treibhausgasemissionen. 

Derzeit erfolgt die Erzeugung überwiegend mit fossilen Energieträgern, wie Erdgas oder Kohle. Doch immer häufiger kommen nicht-fossile Energieträger wie Müll, Biomasse oder Grüne Gas (z.B. Biogas, grüner Wasserstoff) zur Anwendung.   

KWK-Anlagen gibt es in verschiedenen Größenordnungen und Varianten: Von Nano-, Mikro- und Mini-Blockheizkraftwerken (BHKWs) mit weniger als 50 Kilowatt Leistung über mittelgroße und große BHKWs mit einigen Megawatt Leistung bis hin zu mittelgroßen und großen Heizkraftwerken (HKWs) mit mehreren Hundert Megawatt Leistung. Bei BHKWs dominieren Verbrennungsmotoren, gerade bei kleineren BHKWs kommen aber auch Stirlingmotoren, Dampfmotoren und Brennstoffzellen zum Einsatz.  

Da die Steigerung der Energieeffizienz ein wesentlicher Bestandteil der Energiewende ist, macht dies die KWK zu einer zentralen Technologie zur effizienten und klimafreundlichen Versorgung von Kommunen und Quartieren mit Strom und Wärme. Damit kommt der KWK eine zentrale Bedeutung für die kommunale Wärmewende zu. 

KWK-Anlagen werden sowohl in der öffentlichen Versorgung als auch in der Industrie eingesetzt. Die erzeugte Wärme wird für Heizzwecke oder als Prozesswärme genutzt. Je nach Größe und Standort der Anlage kann die Heizwärme direkt im Gebäude oder über Fernwärmenetze zur Versorgung von mehreren Gebäuden genutzt werden. Dabei dient die KWK als Rückgrat der Fernwärmeerzeugung: Etwa 80 Prozent der Fernwärme in Deutschland wird in KWK-Anlagen erzeugt. Damit leistet das System aus KWK und Fernwärme einen zentralen Beitrag für Energieeffizienz, Klimaschutz sowie Versorgungssicherheit. 

Darüber hinaus trägt die KWK als Schlüsseltechnologie der Sektorkopplung wesentlich zur Flexibilisierung des Energiesystems bei: KWK-Anlagen können, kombiniert mit Strom- und Wärmespeichern, elektrischen Wärmeerzeugern und Wärmepumpen sowie Erneuerbaren Energien und Abwärme, flexibel auf die unterschiedliche Nachfrage im Strom- und Wärmemarkt reagieren.

Quelle:  Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e.V. (AGFW) 

Mit der vermehrten Nutzung erneuerbarer Energien wird der Energiespeicherung eine immer bedeutungsvollere Rolle zuteil. Der Grund dafür ist, dass es durch die Speicherung von Energie möglich wird, das Energieangebot vom Energieverbrauch zu entkoppeln. So kann beispielsweise die durch Solarthermie am Tag gesammelte Wärme eingespeist und gespeichert werden, bis die Wärme in der Nacht ausgespeichert und genutzt werden kann. Wärmespeicher lassen sich nach unterschiedlichen Kriterien unterteilen. Bei den am häufigsten eingesetzten Wärmespeichern in Heizungssystemen handelt es sich um thermische Speicher. Bei dieser Art von Speichern erfolgt die Energiespeicherung über eine spürbare Temperaturerhöhung bzw. -absenkung eines festen oder flüssigen Speichermediums. In Heizsystemen wird vorwiegend Wasser als Speichermedium eingesetzt. Einerseits ist es kostengünstig sowie unbedenklich für die Umwelt und andererseits weist Wasser eine hohe Wärmekapazität auf. Die Speicherdauer ist neben der Isolation und dem Temperaturunterschied zwischen innen und außen maßgeblich vom Speichervolumen abhängig. 

Grundsätzlich wird die Stromerzeugung von der Wärmeerzeugung getrennt betrachtet. Doch mit einer holistischen Betrachtung der Dekarbonisierung des Wärmesektors ist es auch nötig, die Stromproduktion zu berücksichtigen, da nicht zuletzt stromgetriebene Wärmepumpen als eine Schlüsseltechnologie auf dem Weg der Wärmewende gesehen werden.

Durch Photovoltaik (PV) wird es möglich, mittels Photozellen aus Sonnenlicht elektrischen Strom zu erzeugen. Der gewonnene Gleichstrom wird mithilfe eines Wechselrichters in den haushaltsüblichen Wechselstrom gewandelt und vor Ort verbraucht oder ins Stromnetz eingespeist. Der Wechselrichter sorgt darüber hinaus dafür, dass die PV-Anlage stehts im optimalen Betriebsbereich arbeitet.

Durch die zusätzliche Einbindung eines Stromspeichers wird es möglich, den Anteil des eigen verbrauchten PV-Stroms zu erhöhen, was zu einem höheren Autarkiegrad führt.

Grüne Gase sind zur Vollendung der Energiewende dringend erforderlich und verbinden die Stromnetze mit den Gasnetzen.

Da bei der Verbrennung von Erdgas nur moderate Mengen Treibhausgas ausgestoßen werden (im Vergleich z. B. zu Heizöl sind es rund 25 Prozent weniger Treibhausgasemissionen), kann und sollte bereits heute ein bedeutender Klimaschutzeffekt erzielt werden, wenn Erdgas die deutlich
klimaschädlicheren Brennstoffe Kohle, Heizöl, Benzin und Diesel im Strom-, Wärme- und Mobilitätssektor sowie bei Industrieanwendungen ersetzt. Daher ist ein derartiger Fuel-Switch der erste, unmittelbar notwendige große Schritt, um die Klimaschutzziele zu erreichen. Langfristig bedeuten die Pariser Klimaschutzbeschlüsse von Ende 2015 jedoch, dass Erdgas weitgehend durch treibhausgasneutrale Gase ersetzt werden muss. Auch der Klimaschutzplan 2050 der Bundesregierung postuliert den vermehrten Einsatz von grünen Gasen. Doch welche grünen Gase stehen für diesen Content-Switch zur Verfügung?

Biogas wird durch die Vergärung von Biomasse gewonnen. Die ca. 9.000 Biogasanlagen in Deutschland liefern derzeit eine Leistung von etwa 4.166 Megawatt elektrisch. Biogas wird hauptsächlich direkt vor Ort und somit vollkommen dezentral in KWK-Anlagen eingesetzt.

Biomethan wird aus Biogas gewonnen. Dabei wird Biogas in der Bindung mit Kohlenstoffdioxid auf „Erdgas-Qualität“ aufbereitet. Zuletzt wurden 774 Millionen Nm³ Biogas jährlich weiterverarbeitet und an den Brennwert von Erdgas angepasst, um unbegrenzt ins Gasnetz eingespeist werden zu können.

Die Thüga betreibt eine dieser Anlagen im Allgäu in Isny/Rahmhaus. Dort wird z. B. aus Speiseresten grünes Gas erzeugt und ins öffentliche Gasnetz eingespeist.

Grüne Gase bieten ausreichend Potenzial, um in einem zukünftigen Energiesystem die Klimaziele zügig zu erreichen. Dafür ist es notwendig, diese Gase in die Gasinfrastrukturen einzuspeisen und so in allen Sektoren nutzbar zu machen. Insbesondere das Repowering der 9.000 existierenden Biogasanlagen steht kurzfristig im Fokus.

Text abgeändert von DVGW e.V.: Impuls – Grüne Gase

Mit Hilfe von Wasserstoff können die anstehenden Aufgaben der Energieverteilung, Systemvernetzung und Effizienzsteigerung gemeistert werden. Mehr noch: Klimaschutz und Wirtschaft können sich Hand in Hand entwickeln, weil die benötigten Technologien und Infrastrukturen größtenteils schon vorhanden sind. Und das, ohne Versorgungssicherheit und Sozialverträglichkeit aufs Spiel zu setzen. Die Speicherung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen wird zum zentralen Punkt und zum verbindenden Element zwischen den einzelnen Bereichen der Energieversorgung. So wird aus der Stromwende eine wirkliche Energiewende, welche alle Sektoren umfasst: Strom, Wärme, Mobilität.

Die Mehrheit der deutschen Netzbetreiber – und so auch die Thüga – sieht den ersten regulären Einsatz von Wasserstoff in ihren Verteilnetzen sehr zeitnah, in großen Teilen Deutschlands schon innerhalb der nächsten acht Jahre. Großflächige Umstellungen auf 100 Prozent Wasserstoff werden dann vielfach in den 2030er Jahren antizipiert. Daher macht die Thüga Energienetze GmbH ihr Gasnetz bereits heute fit für den Wasserstoffbetrieb der kommenden Jahre.

Als Schlüssel des Erfolgs werden sich die Gas-Verteilnetze erweisen, die mit geringen Modifikationen “H₂-ready” werden. Auf dem Weg dahin wird die sog. Befüllung der Umstell-Datenbank der Thüga Energienetze GmbH für den Anpassungsprozess von Leitungen und Komponenten wichtig sein, mit deren Markteinführung Anfang 2023 gerechnet werden kann. Auch anwendungsseitig bietet der Markt inzwischen eine Auswahl von wasserstofftauglichen Technologien, einschließlich neuer H₂-Heizungssysteme. Damit werden die Gas-Netze in den Kommunen vor Ort der Schlüssel zum Erfolg für eine schnelle Transformation des Energiemarktes.