Transformation
Bisher wird die Energiewende vorwiegend mit dem Einsatz erneuerbarer Energien zur Stromversorgung in Verbindung gebracht. Das liegt natürlich daran, dass hier schon gute Erfolge erzielt wurden und der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung mittlerweile bei deutlich über 30 % liegt. Und die beiden vermutlich prominentesten erneuerbaren Energietechnologien Wind und Photovoltaik werden auch nahezu vollständig für die reine Stromerzeugung eingesetzt.
Ohne eine Wärmewende wird es keine erfolgreiche Energiewende geben.
Und wie können Wärmenetze zur Wärmewende beitragen?
Bei einem Wärmenetz wird die Fernwärme zentral durch eine oder mehrere Wärmequellen bereitgestellt. Als Wärmequelle können z.B. ein Heizwerk, ein Heizkraftwerk, erneuerbare Energiequellen oder ein Unternehmen, das Abwärme bereitstellt, dienen. Diese Fernwärme wird den Verbrauchern über Rohrleitungen zur Verfügung gestellt. Dabei werden mindestens zwei Gebäude über eine Wärmeleitung zusammengeschlossen. Es können aber auch Gebäude mehrerer Straßenzüge und ganze Ortschaften versorgt werden.
Die Fernwärme wird meist in Form von heißem Wasser von der Wärmequelle zum Gebäude transportiert, mit der Wärme wird der Heizkreislauf des Gebäudes aufgewärmt. Dabei kühlt das Wasser des Fernwärmenetzes ab und fließt zurück zur Wärmequelle – der Kreislauf beginnt von vorne. Ein Wärmenetz besteht also aus zwei Leitungen. Eine Leitung, die das heiße Wasser zum Gebäude transportiert und eine weitere, mit der das abgekühlte Wasser wieder zur Wärmequelle zurückgeführt wird.
Wir sind überzeugt, dass Wärmenetze eine gute Basis sind, um die Wärmewende voranzutreiben und die Emissionen des Wärme-Sektors zu reduzieren.
Diese Überzeugung basiert auf mehreren Gründen, die sich gut am Beispiel Flensburger Fernwärme zeigen lassen
In Flensburg betreiben wir seit mehreren Jahrzehnten ein Fernwärmenetz, das heute eine Länge von mehr als 1.400 km umfasst. Die Anschlussquote an das Wärmenetz beträgt in Flensburg nahezu 100 %. Die Fernwärme stammt dabei aus einem zentralen Heizkraftwerk, das in einem kombinierten Prozess Wärme und Strom erzeugt. In Fachkreisen wird diese Art der Energie-Erzeugung als Kraft-Wärmekopplung (KWK) bezeichnet.
Die Vorteile dieser gewachsenen Strukturen
- Wärmenetze haben in der Regel eine Wärmequelle - am Beispiel Flensburg ist es das Heizkraftwerk – und damit eine Emissionsquelle. In Ortschaften ohne Wärmenetz hat jedes Haus einen Wärmeerzeuger und damit viele Emissionsquellen. Das Fernwärmenetz hilft also dabei, wenn dessen Emissionsquelle auf klimafreundliche Erzeugung umgestellt wird, auf einen Schlag den Wärmeverbrauch aller angeschlossenen Nutzer klimafreundlicher zu gestalten. Für den gleichen Effekt müssten ohne Wärmenetz alle Emissionsquellen aller Häuser gleichzeitig klimafreundlicher gestaltet werden. Es liegt auf der Hand, dass es einfacher ist, eine Emissionsquelle umzustellen als viele einzelne, die auf die gesamte Ortschaft verteilt sind.
- In Flensburg wurden die CO2-Emissionen in 2016 durch eine erste Teilumstellung der Energieerzeugung im Heizkraftwerk von Kohle auf Erdgas bereits deutlich reduziert und damit der Vorteil des zentralen Fernwärmenetzes erfolgreich umgesetzt. Der nächste Schritt zur CO2-Reduzierung ist für 2022 geplant. Dann wird die nächste Erdgasanlage in Betrieb gehen und vier von fünf Kohlekessel sind damit stillgelegt. Für den letzten Kohlekessel wird an einer umweltfreundlicheren Lösung schon gearbeitet. Kessel 12 sowie die neue Anlage sind dann Wasserstoff fertig, so dass der nächste Schritt zur CO2-Neutralität für alle Flensburger bereits vorbereitet ist.
- Mit zunehmendem Anteil erneuerbarer Energie an der Wärmeversorgung steigen auch die Flexibilitätsanforderungen an die Wärmeerzeugung. Das bedeutet: Wenn die Erneuerbaren gerade mal keine Wärme erzeugen können, weil z.B. die Sonne nicht scheint, muss die Wärmenachfrage auch dann sicher bedient werden. Um das zu gewährleisten, müssen Anlagen vorgehalten werden, die in solchen Fällen die Wärmeversorgung übernehmen können. Der Anlagenpark wird dadurch umfangreicher. Mit einem Fernwärmenetz reduziert sich das Vorhalten von solchen Anlagen auf einen Standort. Nämlich dort, wo die Wärme ins Fernwärmenetz eingespeist wird. Ohne Wärmenetz muss jeder Verbraucher Reserveanlagen vorhalten, die seine Wärmeversorgung zu jedem Zeitpunkt sicherstellen.
Wärmenetze helfen, schneller Erfolge bei der Wärmewende zu bewirken.
Wärmespeicher der Stadtwerke Flensburg
Abb. Wärmespeicher der Stadtwerke Flensburg, Quelle: Stadtwerke Flensburg GmbH
Ein gutes Beispiel dafür, wie die Phasen überbrückt werden können, in denen keine Wärme aus Erneuerbaren produziert wird, sind Wärmespeicher. Wärmespeicher spielen bei der Wärmewende eine wichtige Rolle.
Kleinere thermische Speicher können auch direkt beim Verbraucher installiert werden. Müssen aber längere Zeiträume mit einem Speicher überbrückt werden, kommen saisonale Wärmespeicher zur Anwendung. Ein Einsatz dieser Speicher wird aus Platzgründen nicht direkt beim Verbraucher erfolgen können. Schon gar nicht, wenn alle einen Speicher dieser Art benötigen. Einfacher lässt sich die Platzfrage mit der Errichtung an zentraler Stelle mit Anschluss an ein Fernwärmenetz klären. Auch hier wird Platz gerade in städtischen Räumen eine wichtige Frage sein, die sich aber zentral leichter lösen lässt als bei jedem Einzelnen.
Wärmenetze bieten daher mehr Freiheitsgrade für den Einsatz von Wärmespeichern.
Wärme aus Strom
Häufige Schlagwörter im Zusammenhang mit der Wärmewende sind die „all electric society“ oder „power to heat“. Die Funktionsweise einer „power to heat“ Anlage ist beispielhaft in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.
Abb. Funktionsweise einer power to heat - Anlage, Quelle: Stadtwerke Flensburg GmbH
In Bezug auf die Wärmeversorgung verbirgt sich hinter dem Gedanken, Anlagen einzusetzen, die aus Strom die Fernwärme erzeugen. Diese Anlagen könnten direkt beim Verbraucher an das Stromnetz angeschlossen werden und ihren Betrieb aufnehmen. Der Ansatz ist charmant, weil nur noch ein Energieträger eingesetzt würde, mit dem das Wohnzimmer beheizt und gleichzeitig beleuchtet werden könnte. Wenn aber wiederum jeder einzelne davon profitieren soll und solche Anlage bei jedem zuhause installiert werden sollen, kann das Problem entstehen, dass die elektrischen Netze die anfallenden Leistungen und Stromflüsse nicht vertragen. Sie sind in den Planungen nicht für den Wärmebedarf ausgelegt worden.
Hierzu mal ein vereinfachtes Beispiel für die Stadt Flensburg: In der Regel liegt die maximale Stromlast im Stromnetz bei ca. 75 MW, in seltenen Spitzen bei knapp 120 MW.
Nun muss man noch wissen, dass im Fernwärmenetz von Flensburg an kalten Tagen Leistungsspitzen von bis zu 350 MW auftreten. Es ist leicht zu errechnen, dass der elektrische Spitzenbedarf sich auf über 425 MW erhöht und somit mehr als verfünffachen würde, wenn denn der komplette Wärmebedarf dezentral in jedem Haushalt erzeugt werden würde. Dies wäre nicht annähernd mit dem vorhandenen Strom-Verteilnetz zu leisten.
Hinzu kommt, dass mit der Elektromobilität der Strombedarf zuhause steigen wird. Als Folge eines erhöhten Strombedarfs können Investitionen zur Verstärkung der elektrischen Netze erforderlich sein.
Auch für den „power to heat“ Pfad, also der direkten Wärmeerzeugung aus Strom, ist es einfacher, auf bestehende Fernwärmenetze zu setzen. Das hat den Vorteil, dass nicht bei jedem Verbraucher eine „power to heat“-Anlage errichtet werden muss, sondern nur an der zentralen Wärmequelle für alle. Dort wird der Strom zentral zu Wärme umgewandelt und über das Fernwärmenetz an alle Verbraucher verteilt.
Dem Wärmenetz selbst ist es egal, ob die Fernwärme aus einem Holzkessel, einer Erdgasanlage oder einer „power to heat“ Anlage stammt und mögliche Investitionen in die elektrischen Verteilnetze fallen nicht an.
Insgesamt betrachtet, können Wärmenetze über unterschiedlichste Wege zur Umsetzung der Energiewende im Wärmesektor beitragen. Sie stellen eine wertvolle Basis dar, die von vielen noch nicht so gesehen oder genutzt wird. Dabei ist hier mit vertretbarem Aufwand sehr viel möglich.
Wärmenetze können helfen, die Wärmewende günstiger zu gestalten.
Über den Autoren
Thomas Räther
Geschäftsbereichsleiter Netze
Über den Autor
- Dipl. Ing. Maschinenbau an der TU Braunschweig
- seit 2013 Geschäftsbereichsleiter Netze Stadtwerke Flensburg
- davor in technischen Leitungs- und Führungsfunktionen in der Eisen- und Stahlindustrie
- über Betriebsingenieur zu Betriebsleiter von Walz- und Stahlwerken
- Projektmanagementkompetenz bei Großinvestitionsprojekten
- Optimierung und Restrukturierung von Prozesslandschaften
