30.11.2022  Pressemeldung Alle News von GRUNDFOS

GRUNDFOS: Fernwärmenetze - Die Schlüsseltechnologien für die Wärmewende?

Mit dem Inkrafttreten der Bundesförderung für effiziente Wärmenetze (BEW) am 15. September 2022 sind der Neubau von Wärmenetzen mit hohen Anteilen erneuerbarer Energien sowie die Dekarbonisierung bestehender Netze wieder in den Mittelpunkt gerückt. Hierbei handelt es sich um zentrale Bausteine beim klimaneutralen Umbau der Wärmeversorgung und auf dem Weg zur Erreichung der Klimaziele. Fernwärmenetze gelten unter anderem als Schlüsseltechnologien in der Wärmewende, um den notwendigen Ausstieg aus fossilen Brennstoffen zu schaffen, und können gleichzeitig – nachhaltig erzeugt und intelligent genutzt – einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung von CO2-Emissionen und Energiekosten leisten.

Wärmewende – ein Terminus mit weitreichenden Auswirkungen

Laut Bundesverband der Energie- und Wärmewirtschaft e.V. (BDEW) bezeichnet der Begriff „Wärmewende“ die Transformation von der hauptsächlich mit fossilen Brennstoffen betriebenen Wärmeversorgung von Gebäuden und Industrie hin zu einer klimaneutralen Wärmeversorgung. Ziel ist es, Wärmeenergie effizient einzusparen und den Wärmeverbrauch nicht nur zu senken, sondern auch zu dekarbonisieren. Im Einklang mit den Zielen der Bundesregierung, bis zum Jahr 2045 die Treibhausgasemissionen auf null zu senken, spielen erneuerbare Energien bei der Wärmeerzeugung eine bedeutende Rolle. Sie sollen langfristig fossile Brennstoffe sukzessive zu ersetzen.

Seit 1990 sind in Deutschland insgesamt die CO2-Emissionen um rund 39 Prozent gesunken. Diese Entwicklung konnte 2021 auch im Gebäudesektor festgestellt werden: So kam es zu einer Emissionsminderung von knapp vier Millionen Tonnen CO2-Äquivalenten auf rund 115 Millionen Tonnen. Allerdings wurde auch mit diesen Ergebnissen wiederholt die erlaubte Jahresemissionsmenge gemäß Bundes-Klimaschutzgesetz (rund 113 Millionen Tonnen CO2-Äquivalenten) überschritten. Diese Entwicklungen zeigen, dass im Gebäudesektor erhebliche, bisher ungenutzte Energieeinsparpotenziale liegen. Der Gebäudesektor umfasst dabei alle Treibhausgasemissionen, die innerhalb von Wohngebäuden entstehen. Um die Energiewende voranzubringen, muss der Wärmebedarf vor allem von Gebäuden konsequent reduziert und der verbleibende Restwärmebedarf vornehmlich mit erneuerbaren Energien gedeckt werden. Diese liegen im Vergleich zur Stromerzeugung (rund 50 Prozent) in der Wärmeversorgung nur bei knapp 15 Prozent. Rund 20 Prozent aller CO2-Emissionen in Deutschland entstehen durch das Heizen von Gebäuden, unter anderem durch veraltete Heizanlagen mit deutlich erhöhten CO2-Emissionen. Eine effiziente und kostengünstige Möglichkeit stellt die Wärmeversorgung über Netze dar.

Fernwärmenetze in Deutschland

Laut einer aktuellen Studie („Fernwärmenetze im Kontext nationaler Klimaziele“, Mai 2022) des Energieeffizienzverbandes AGFW, die in Kooperation mit Projektpartnern im Rahmen des Forschungsprojektes Urban-Turn durchgeführt wurde, decken in Deutschland durchschnittlich drei Wärmeerzeugungsanlagen pro Fernwärmenetz den bestehenden Wärmeleistungsbedarf (über eine Gesamtlänge von 21-482 Kilometern an insgesamt 360.305 Hausanschlussstationen) ab. Damit liegt der Marktanteil der Fernwärmeversorgung bei rund 14 Prozent, der Anteil an erneuerbaren Wärmequellen bei rund 17,8 Prozent. Gespeist werden diese in der Regel durch Kraftwerke unter Nutzung der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) mit einem hohen Anteil fossiler Brennstoffe. Im Jahr 2020 lag der Anteil der erneuerbaren Energien in der Fernwärme in Deutschland bei rund 18 Prozent (rund 22 Milliarden Kilowattstunden) nach der Auswertung der Daten zur Fernwärme 2020 in Deutschland. Um kurzfristig erhebliche Energieeinsparungen und eine Reduzierung der CO2-Emissionen in Fernwärmenetzen sicherzustellen, sind intelligente End-to-End-Lösungen notwendig, damit nur die benötigte Energiemenge zur Verfügung gestellt wird. Diese wird idealerweise begleitet durch eine Verbrauchssenkung. Hierzu ist es wichtig, Gebäude in ihrer Gänze zu betrachten und ihren energetischen Bedarf zu ermitteln.

Der Primärenergiefaktor – die entscheidende Größe

Der Primärenergiefaktor ist laut Definition des wissenschaftlichen Dienstes des Deutschen Bundestages eine sachgerechte Bewertung, die zur Ermittlung der Energiebilanz von Gebäuden (Gebäudehülle und Anlagen) herangezogen wird. Der Faktor bildet das Verhältnis von eingesetzter Primärenergie zu abgegebener Endenergie ab. Je kleiner der Faktor, desto. Dazu bezieht er neben der Effizienz der Bereitstellung auch die Versorgungssicherheit und Faktoren wie beispielsweise CO2-Emissionen mit ein. Um eine energetische Vergleichbarkeit von Gebäuden zu erzielen, wird der Jahresprimärenergiebedarf berechnet, der sich aus dem Produkt der erforderlichen Endenergie und dem Endenergieträger passenden nicht-erneuerbaren Anteil des Primärenergiefaktors zusammensetzt. Der auf der Berechnungsgrundlage der DIN V 18599 ermittelte Faktor ist damit ein wesentlicher Indikator für die energetische Einschätzung von Gebäuden und darüber hinaus mit neuen Richtwerten in der Neufassung des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) verankert.

GEG 2023 – Was ändert sich?

Mit der Neufassung des Gebäudeenergiegesetzes (GEG), das am 01.01.2023 in Kraft tritt, werden neue Richtwerte eingeführt, die Auswirkungen auf alle Arten von Gebäuden, die beheizt oder klimatisiert werden, haben. Dies umfasst sowohl Neubauten als auch Bestandsgebäude mit dem Fokus auf Heizungstechnik sowie Wärmedämmstandards. In der kommenden Neufassung wird dabei der Schwerpunkt auf Neubauten gelegt und damit ein neuer Primärenergiefaktor eingeführt. Dieser gilt für Strom, der für den Betrieb von wärmenetzgebundenen Großwärmepumpen genutzt wird. Der Faktor beträgt nach Inkrafttreten für den nicht erneuerbaren Anteil 1,2 anstatt 1,8. Hintergrund: Ziel ist es, die Beseitigung der derzeitigen systematischen Benachteiligung von Fernwärme aus Großwärmepumpen, im Vergleich zu Fernwärme aus KWK-Anlagen oder Wärmeerzeugern mit fossilen Energien.

Fernwärme unter Lupe

Werden Gebäude oder Industrieanlagen nicht über eigene Wärmeanlagen versorgt, stehen alternative Wärmeerzeuger zur Verfügung, darunter Fernwärme, die von einem weiter entfernten Wärmeerzeuger geliefert wird. Dies erfolgt in der Regel durch den Transport heißen Wassers über ein unterirdisches Rohrleitungssystem durch eine vorgeschaltete Übergabestation hindurch zum Verbraucher.

Die Erzeugung kann durch unterschiedliche Technologien erfolgen. So zum Beispiel durch Heizkraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung, bei der Abwärme von einer Wärmekraftmaschine genutzt wird. Trotz der meist üblichen Anhebung des Energieniveaus auf über 100 Grad Celsius, unter der Berücksichtigung der Wärmeverluste sowohl im Leitungsnetz als auch des Energieaufwands für die Wasserpumpen, ist die Energieeffizienz, insbesondere wenn die Teilversorgung durch erneuerbare Energie erfolgt, im Vergleich zu alternativen Wärmeerzeugern dennoch hoch. Als weitere mögliche Nutzungsquellen kommen beispielsweise Müllverbrennungsanlagen, die Abwärme von industriellen Prozessen oder auch Energie aus Geothermieanlagen infrage. Hinzu kommen Solarthermieanlagen, aber auch Biogas und feste Biomasse in Form von Pellets, Hackschnitzeln oder Scheitholz, die ebenfalls zur Teilversorgung von Fernwärmenetzen eingesetzt werden

Fernwärmesysteme weisen vielfältige Vorteile auf: Neben einer guten CO2-Bilanz durch den vermehrten Einsatz erneuerbarer Energien, ist insbesondere bei der Nutzung der KWK die Energieeffizienz hoch. Das Resultat ist ein geringer Primärenergieeinsatz und damit eine geringere Umweltbelastung. Eine weitere Reduzierung der CO2-Emissionen erfolgt dadurch, dass aufwendige Abgasreinigungsanlagen bei größeren Anlagen einfacher und kostengünstiger realisierbar sind als dezentrale Heizungsanlagen. Entstehen dennoch Abgase, werden diese außerhalb der Siedlungen entlassen. Zentrale Anlagen lassen sich in der Regel einfacher auf alternative Wärmequellen umrüsten und können somit kostengünstiger auf die Nutzung erneuerbarer Energien umgestellt werden. Nicht zuletzt entfällt aufwendiger Wartungs- und Betriebsaufwand innerhalb der Gebäude, da weniger Haustechnik verbaut wird.

Wärmeverluste effektiv vermeiden

Trotz aller Vorteile sind Fernwärmenetze in ihrem Einsatzradius limitiert. Aufgrund des Energie- und Wärmeverlustes über längere Strecken, die auch durch sehr gute Isolation nicht vollständig auszuschließen ist, beträgt die übliche Distanz zwischen Erzeuger und Verbraucher rund 20 bis 30 Kilometer. Wächst die Anzahl angeschlossener Verbraucher, muss die Kapazität des Übertragungsnetzes dementsprechend erhöht werden. Dies kann durch eine Vergrößerung der Rohrdimensionen oder durch eine Erhöhung der Temperatur und des Drucks in der Versorgungsleitung erfolgen, wobei letzteres in innerstädtischen Gebieten häufiger angewendet wird, um eine kostenintensive Erweiterung oder den Austausch der Hauptleitungen zu vermeiden. In Einzelfällen können Kapazitätsprobleme zu einer Vorlauftemperatur in der Versorgungsleitung von 130 Grad Celsius und einem Druck von mehr als 20 bar in der Nähe der Hauptpumpen führen.

Größtmögliches Energieeinsparpotenzial besteht in der Optimierung der Übergabestationen, welche die Schnittstelle zwischen Übertragungs- und Verteilungsnetz darstellen. Diese sind mit unterschiedlichen Geräten wie beispielsweise Wärmetauschern, Pumpen, Ventilen, Zählern, Druckhaltesystemen, Partikelfiltern etc. ausgestattet und haben die Aufgabe, Temperatur und Druck von den Werten im Übertragungsnetz auf den Bedarf im Verteilernetz zu reduzieren.

Zwei der größten Herausforderungen bei Fernwärmenetzen sind zum einen der Zugang zu den im Netz erzeugten Daten und zum anderen die Verringerung der Wärmeverluste, die durch das weit verzweigte Netz und den hohen Temperaturunterschied zwischen dem Wasser in den Rohrleitungen und dem Erdreich entstehen. Neben der Möglichkeit zur bestmöglichen Isolation der Rohre kann die Temperaturdifferenz zwischen der Vorlauf- und Rücklaufleitung erhöht werden.

Das typische Fernwärmenetz versorgt zwar eine große Anzahl von Gebäuden mit Energie; ist dabei jedoch auf die Versorgung der Gebäude mit dem höchsten Bedarf ausgelegt. Infolgedessen wird der Rest des Netzes mit viel höheren Temperaturen als nötig versorgt, was zu hohen Wärmeverlusten und Energieverschwendungen führt. Zudem steht diese Energiemenge permanent zur Verfügung, wird aber nicht ständig benötigt.

Moderne Lösungen, wie beispielsweise iGRID vom internationalen Hersteller von Pumpen- und Wassertechnologie Grundfos, können die Vorlauftemperatur dynamisch an beliebige Verbraucheranforderungen anpassen. So kann zum Beispiel zwischen den Bedarfen der Industrie, Nichtwohnungsbauten oder Privathaushalten differenziert werden. Fernwärmenetze sind meist über Jahrzehnte historisch gewachsen und sehr verzweigt. Eine einheitliche Temperaturabsenkung ist unter Berücksichtigung individueller Verbrauchergruppen sehr aufwendig umzusetzen. Das Konzept Grundfos iGRID ermöglicht es jedoch, die Netze zonenweise zu transformieren. Dabei optimiert und regelt Grundfos iGRID die Temperaturen, bzw. die Energieversorgung in Temperatur- und/oder Druckzonen eines Fernwärmesystems mithilfe von Echtzeitdaten und intelligenten Algorithmen entsprechend dem tatsächlichen Bedarf. Die freigewordenen Kapazitäten können dann unmittelbar zur Netzerweiterung genutzt werden, ohne dass dafür das bestehende Leitungs- und Pumpensystem verändert werden muss. Die Lebensdauer bestehender Netze erhöht sich deutlich und die Investitionen in neue Abschnitte fallen durch die niedrigeren Temperaturen und den abgesenkten Druck geringer aus. Ein Beispiel für eine erfolgreiche Umsetzung ist der Einsatz im Raum Kopenhagen in Dänemark. Durch die Absenkung der Vorlauftemperaturen von durchschnittlich 79 Grad Celsius (und 95 Grad Celsius in Spitzenzeiten) auf durchschnittlich 60 Grad Celsius, konnte der Wärmeverlust um 25 Prozent verringert werden, was einer Einsparung von 620 Megawattstunden (MWh) (vergleichbar mit der Heizung von 34 durchschnittlichen Häusern pro Jahr) in einem Gebiet mit einem Bedarf von 9000 MWh entspricht.

Fazit – Wie geht es weiter?

Kunden benötigen auch in Zukunft eine stabile Wärmeversorgung. Die bedarfsgerechte Optimierung bedeutet jedoch auch das Ausloten von Grenzen. Dazu bedarf es der Digitalisierung und innovativer Ansätze, um Transparenz zu erhalten, Trends zu erkennen und Veränderungen unmittelbar mit einzubeziehen. Fernwärme bietet dabei viele Möglichkeiten, CO2-Emissionen zu senken und Kosten zu sparen. Deshalb gilt sie auch als die effektivste und klimaschonendste Art der Wärmeverteilung. Die derzeitige Entwicklung auf dem Energiemarkt und die damit verbundene nachlassende Wirtschaftlichkeit fossiler Brennstoffe rücken die Fernwärme stärker in den Fokus. Weltweit lässt sich aktuell eine starke politische Unterstützung für eine breite Einführung der Fernwärme und die Optimierung der bestehenden Methoden beobachten. Folglich wird mit Blick auf die stärkere Digitalisierung der Fernwärmenetze zwangsläufig mehr Dynamik entstehen. Dennoch müssen hier zunächst auf politischer Ebene Grundlagen zur Planung des Ausbaus geschaffen werden. So muss ermittelt werden, welche Fernwärmenetze technologisch aufgerüstet werden müssen, welche dicht bebauten Gebiete mit Fernwärme versorgt werden sollten, aber auch alle verfügbaren Wärmequellen erfasst werden, um eine stärkere Sektor-Koppelung zu forcieren. Eine verpflichtende kommunale Wärmeplanung soll in naher Zukunft Planungssicherheit liefern.

Autor:
Martin Palsa
Senior Vice President & Verkaufsdirektor – Domestic Building Service & Geschäftsführer Grundfos Deutschland

Quellen:
AGFW (2022), Fernwärmenetze im Kontext nationaler Klimaziele – Potenziale für „Urban Turn“ (15.11.22).
BDEW (2015), Grundlagenpapier – Primärenergiefaktoren. Der Zusammenhang von Primärenergie und Endenergie in der energetischen Bewertung (15.11.22).
BDEW (2022), Wärmewende (15.11.22).
BDEW (2021), Nettowärmeerzeugung nach Energieträgern in Deutschland – zur leitungsgebundenen Wärmeversorgung. (15.11.22).
Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (2022), Bundesförderung für effiziente Wärmenetze (BEW) (14.11.22).
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (2022), Der Wärmewende neuen Schub verleihen (11.11.22).
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (2022), Was ist eigentlich „Fernwärme“? (11.11.22).
Bundesministerium für Wohnen, Stadtentwicklung und Bauwesen (2022), Das Gebäudeenergiesetz (14.11.22).
Energie-Experten.org (2022), Primärenergiefaktor: Berechnung & Faktoren im Überblick (10.11.22).
Energie-Lexikon.info (2022), Fernwärme (10.11.22).
Energie & Management (2022), Erste Grundlagenstudie zur Zukunft der Fernwärme veröffentlicht (11.11.22).
Forum Verlag Herkert GmbH (2022), Energieoptimiertes Bauen – Neues GEG 2023_ Änderungen für Bestandsgebäude und Neubauten (11.11.22).
GEG-info.de (2022), Novelliertes Gebäudeenergiegesetz GEG 2023 (14.11.22).
Grundfos (2022), Grundfos iGrid temperature zones – Whitepaper (15.11.22).
Heizsparer.de (2022), Fernwärme Technik (11.11.22).
Umweltbundesamt (2022), Gemeinsame Pressemitteilung von Umweltbundesamt und Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz - Treibhausgasemissionen stiegen 2021 um 4,5 Prozent; Bundesklimaschutzministerium kündigt umfangreiches Sofortprogramm an (15.11.22).

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