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Grüne Wärmenetze mit Kraft-Wärme-Kopplung



Grüne Wärmenetze mit Kraft-Wärme-Kopplung Bild: OTH-AW
Bild: IfE 
Bild: IfE 
Bild: IfE 
Bild: OTH-AW 
Bild: OTH-AW 
Bild: Raphael Lechner 

5. Februar 2024

Das Gebäudeenergiegesetz lässt zahlreiche Beheizungsarten zu – u. a. Wärmenetze

Das Ziel in Deutschland bis 2045 die Klimaneutralität zu erreichen, bedingt einen tiefgreifenden Umbau der Wärmeversorgung. Grüne Wärmenetze, die ausschließlich aus erneuerbaren Energieträgern versorgt werden, können hierfür einen wichtigen Beitrag leisten. Für die Kraft-Wärme-Kopplung bedeutet dies einen Paradigmenwechsel vom Grundlastwärmeerzeuger hin zum schnell regelbaren Spitzenlasterzeuger, der dann einspringt, wenn andere erneuerbare Energieerzeuger an ihre Grenzen stoßen.

Einführung und Hintergrund

Deutschland hat sich mit dem Klimaschutzgesetz selbst verpflichtet bis 2045 klimaneutral zu werden. Als Zwischenschritte sollen die Treibhausgasemissionen bis 2030 um mindestens 65 % und bis 2040 um mindestens 88 % reduziert werden. Der Gebäudesektor (inklusive Gewerbe, Handel, Dienstleistung und private Haushalte) trägt nach Daten des Umweltbundesamts aktuell ca. 15 % zu den gesamten Treib­hausgasemissionen in Deutschland bei.

Gemäß Gebäudeenergiegesetz 2023 (GEG) muss die Versorgung neuer Gebäude in Neubaugebieten ab 1. Januar 2024 zu 65 % mit Erneuerbaren Energien erfolgen. Außerhalb von Neubaugebieten und für Altbauten gelten Übergangsfristen, grundsätzlich müssen jedoch auch in diesen Fällen die Heizungen in absehbarer Zeit mit Erneuerbaren Energien betrieben werden. 

Die Vorgaben des GEG sind eng verknüpft mit dem Wärmeplanungsgesetz (WPG), das am 17. November 2023 im Bundestag beschlossen wurde und ebenfalls zum 1. Januar 2024 in Kraft treten soll. Gemäß WPG werden Kommunen mit mehr als 100 000 Einwohner verpflichtet, bis zum 30. Juni 2026 einen sogenannten Wärmeplan vorzulegen. Für Kommunen mit weniger als 100 000 Einwohner greift die Pflicht ab 30. Juni 2028, wobei für kleinere Kommunen mit weniger als 10 000 Einwohner vereinfachte Verfahren diskutiert werden. Die konkrete Ausgestaltung obliegt den Bundesländern. Ziel der Wärmepläne ist die Identifikation von Fokusgebieten für den Neubau und Ausbau von Wärmenetzen (Bild 1) sowie Gebiete, in denen eine leitungsgebundene Versorgung mit grünen Gasen umgesetzt werden soll, und Gebiete, die mit dezentralen Systemen versorgt werden. 

Für die Betreiber bestehender Wärmenetze schreibt das WPG nach derzeitigem Stand umfangreiche Pflichten zur Dekarbonisierung vor. So muss ab 2030 grundsätzlich ein Anteil von 30 % der Nettowärmeerzeugung aus Erneuerbaren Energien oder unvermeidbarer Abwärme stammen, ab 2040 steigt dieser Anteil auf 80 %. In neuen Wärmenetzen gilt ab 1. März 2025 ein Pflichtanteil von 65 % an unvermeidbarer Abwärme oder Erneuerbaren Energien. Der Einsatz von Biomasse wird in größeren Neubaunetzen ab 50 km Länge auf Anteile von maximal 25 % begrenzt, ab 2045 sinkt der zulässige Anteil auf 15 %. Für mittelgroße und kleine Wärmenetze < 50 km Länge ist der Biomasseanteil nicht beschränkt. Ab 2045 müssen dann alle Wärmenetze klimaneutral sein. 

Grüne Wärmenetze – Optionen für die Dekarbonisierung

Die Energiequellen, die für eine zukünftige dekarbonisierte Wärmeversorgung infrage kommen, sind feste und gasförmige Biomasse, Solarthermie, Umweltwärme, z. B. aus Oberflächengewässern oder Abwasser, (tiefe) Geothermie oder Abwärme. Weiterhin ist auch die Nutzung überschüssiger regenerativer Strommengen, z. B. aus PV-Anlagen oder Windkraftanlagen durch Direktstromnutzung (Power-to-Heat), den Einsatz in einer Wärmepumpe oder mittels Umwandlung in speicherfähigen Wasserstoff denkbar. 

Ausgehend von den Ergebnissen aus der Bedarfs- und Potenzialanalyse im Rahmen der Wärmeplanung werden Quartiere nach Wärmebedarfen bzw. Wärmequellen definiert. Hier ist anschließend zu prüfen, ob grundsätzlich ein Wärmenetz in diesen Gebieten denkbar ist und mit welcher Vorlauftemperatur dieses betrieben werden soll. Das muss je nach Gebäudebestand und Wärmequelle individuell bewertet werden. Gibt es beispielsweise eine Abwärmequelle mit hohem Temperaturniveau in der Nähe von älteren, unsanierten Gebäuden, kann ein Wärmenetz mit hohen Vorlauftemperaturen sinnvoll sein. Wärme auf niedrigem Temperaturniveau, z. B. Umweltwärme, wird dabei bereits in der Heizzentrale mittels Großwärmepumpen auf das im Netz benötigte Niveau gehoben.

Handelt es sich bei den regenerativen Quellen überwiegend um Umweltwärme, solare Wärme oder Erdwärme, so kann ein Wärmenetz mit niedrigeren Vorlauftemperaturen (kalte bzw. gleitende Wärmenetze) sinnvoller für die Einbindung dieser Energiequellen mit niedrigeren Temperaturen sein. Hier sind gegebenenfalls bei den Abnehmern zusätzlich dezentrale Wärmepumpen notwendig, um die Wärme auf das jeweils benötigte Temperaturniveau zu heben (Bild 2). 

Ein Ziel sollte zudem sein, begrenzte Energieträger wie Wasserstoff oder Biomasse bzw. Biogase nur so viel zu nutzen wie nötig. Zudem sollte unvermeidbare Abwärme wo möglich immer zuerst in das Wärmenetz eingebunden werden, da hierfür kein zusätzlicher Energieeinsatz notwendig ist. 

Rolle der KWK in grünen Wärmenetzen

Bisher werden Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen in Wärmenetzen in der Regel als Grundlastwärmeerzeuger betrieben. Spätestens seit der Begrenzung der geförderten Vollbetriebsstunden im Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz und der Einführung der neuen Ausschreibungskategorie für „innovative KWK-Systeme“ für KWK-Anlagen, die in Verbindung mit erneuerbaren Wärmerzeugern betrieben werden, kommt der KWK jedoch zunehmend die Rolle der Spitzen- und Regellastabdeckung zu. Dies gilt zuvorderst natürlich für fossile KWK-Anlagen, deren Anteil an der Wärmeerzeugung mit Blick auf die Klimaziele sukzessive reduziert werden muss. 

Aufgrund der zu erwartenden Nutzungskonkurrenzen wird jedoch auch die Biomasse im Wärmemarkt vor allem für solche Anwendungen reserviert werden müssen, für die keine andere Versorgungsoption besteht, z. B. Hochtemperaturprozesse in der Industrie. Bezogen auf Biomasse-KWK-Anlagen hat dies zur Folge, dass auch diese vor allem dann betrieben werden müssen, wenn der Nutzen am größten ist und andere Versorgungsoptionen nur eingeschränkt zur Verfügung stehen. Dem tragen die Regelungen des Wärmeplanungsgesetzes mit der Begrenzung des Biomasseanteils in größeren Netzen bereits Rechnung. Die gleiche Überlegung trifft auch auf Wasserstoff-KWK-Systeme zu, da grüner Wasserstoff auf absehbare Zeit ebenfalls ein knappes Gut bleiben wird.

Für kleinere Netze bestehen dagegen aktuell keine Grenzen für den Biomasseeinsatz. So werden klassische Biogasanlagen mit Wärmeauskopplung oder Biomethan-BHKW-Anlagen als Grundlasterzeuger in kleineren Wärmeverbünden auch weiterhin möglich sein und ihre Daseinsberechtigung haben. 

Ein Beispiel für die künftige Rolle der KWK in grünen Wärmenetzen ist die Kombination mit Solarthermieanlagen oder Wärmepumpen. Hier kann über die Solarthermie bzw. die Umweltwärme der Grundlastanteil insbesondere im Sommer und in der Übergangszeit fast vollständig abgedeckt werden. Mit abnehmenden Temperaturen schaltet in den Wintermonaten die KWK-Anlage zu und deckt die Spitzen ab oder übernimmt die Versorgung vollständig. Dies entlastet gleichzeitig die Stromnetze in Zeiten geringeren Angebots an erneuerbarem Strom und stellt gesicherte Leistung für die Dunkelflaute bereit.

Illustriert wird diese Überlegung in Bild 3 am Beispiel einer Flusswasserwärmepumpe. Die dargestellten Betriebsgrenzen liegen im ausgewählten Fall bei 5 °C bzw. 7 °C Wassertemperatur, bis zu denen die Wärmepumpe betrieben werden kann, ohne dass die Flusstemperatur unzulässig abgesenkt wird und eine Vereisung des Wärmetauschers eintritt. In den Monaten mit geringeren Flusswassertemperaturen kann eine KWK-Anlage die Versorgung übernehmen. 

Dies kann zunächst eine fossile Anlage sein, sofern die Pflichten aus dem GEG und WPG eingehalten werden, die dann im späteren Verlauf auf grüne Gase umgestellt wird. Bei Biomethan kann dies direkt über den bilanziellen Einkauf von Biogas erfolgen, das an anderer Stelle erzeugt, aufbereitet und ins Erdgasnetz eingespeist wird. Ebenso denkbar ist eine Umstellung auf grünen Wasserstoff, sofern dieser künftig leitungsgebunden zur Verfügung steht oder vor Ort in ausreichender Menge aus erneuerbaren Stromüberschüssen im Sommer hergestellt und gespeichert werden kann. Die Umrüstung einer fossilen Erdgas-BHKW-Anlage mit 250 kW elektrischer Leistung auf den Betrieb mit 100 % Wasserstoff wurde in mehreren Projekten der Ostbayerischen Technischen Hochschule Amberg-Weiden mit der 2G Energy AG, dem Institut für Energietechnik IfE GmbH und dem Stadtwerk Haßfurt erfolgreich demonstriert (Bilder 4, 5 und 6).

Eine weitere interessante Überlegung betrifft die Nutzbarmachung nicht vermeidbarer Abwärme aus KWK-Anlagen. So sind die Wärmemengen aus der Abgaskondensation und der Gemischkühlung von KWK-Anlagen in der Regel unvermeidbar, da das Temperaturniveau für die Nutzung in konventionellen Wärmenetzen zu gering ist. Im Rahmen eines Forschungsprojekts an der OTH Amberg-Weiden in Kooperation mit den Industriepartnern eQrima und Aprovis Energy Solutions wird ein Verfahren zur Aufwertung dieser Wärme über eine Absorptionswärmepumpe entwickelt. Die Absorptionswärme wird von der BHKW-Abgaswärme angetrieben und hebt die Niedertemperaturwärme auf das benötigte Temperaturniveau. In Summe werden so auch bei Netzen mit hohen Vorlauftemperaturen von ca. 85 bis 90 °C Gesamtwirkungsgrade (Strom- und Wärmeerzeugung) von über 90 % bis nahe 100 % erreicht, die sonst mit KWK-Anlagen nur in Niedertemperaturnetzen erzielt werden können.

Fazit und Ausblick

Mit Blick auf die Klimaneutralität im Jahr 2045 muss der Wärmemarkt zügig dekarbonisiert werden. Grüne Wärmenetze sind hierfür eine der entscheidenden Technologien und elementarer Bestandteil der ab 1. Januar 2024 vorgeschriebenen Wärmeplanung in Kommunen. Mit fester Biomasse oder grünen Gasen betriebene KWK-Anlagen sind eine wichtige Ergänzung zu erneuerbaren Wärmequellen, die nicht ganzjährig konstant zur Verfügung stehen, wie z. B. Solarthermie oder Luft- bzw. Flusswasserwärmepumpen. Zudem stellen KWK-Anlagen gesicherte elektrische Leistung auch in Zeiten geringen Angebots an erneuerbarem Strom zur Verfügung. Entscheidend für den Erfolg der KWK in grünen Wärmenetzen ist jedoch ein Paradigmenwechsel weg vom Grundlastwärmerzeuger hin zum Spitzen- und Regelleistungserzeuger.

Autoren: 
Prof. Dr. Raphael Lechner, 
Ostbayerische Technische Hochschule 
Amberg-Weiden
Patrick Dirr, 
IfE Institut für Energietechnik GmbH

Wärmenetze im GEG

§ 71b Anforderungen bei Anschluss an ein Wärmenetz und Pflichten für Wärmenetzbetreiber

(1) Beim Einbau oder bei der Aufstellung einer Hausübergabestation zum Anschluss an ein neues Wärmenetz, dessen Baubeginn nach Ablauf des 31. Dezember 2023 liegt, hat der Wärmenetzbetreiber sicherzustellen, dass das Wärmenetz die zum Zeitpunkt der Beauftragung des Netzanschlusses jeweils geltenden rechtlichen Anforderungen an dieses Wärmenetz erfüllt. Ein neues Wärmenetz nach Satz 1 liegt vor, wenn dessen Wärmebereitstellung nicht oder im Jahresmittel zu weniger als 20 Prozent thermisch, durch direkte hydraulische Verbindung oder indirekt über Wärmeübertragung aus einem bestehenden vorgelagerten Wärmenetz erfolgt. Der Wärmenetzbetreiber hat dem Verantwortlichen die Erfüllung der Voraussetzungen nach Satz 1 zum Zeitpunkt der Herstellung des Netzanschlusses schriftlich zu bestätigen.

(2) Beim Einbau oder bei der Aufstellung einer Hausübergabestation zum Anschluss an ein Wärmenetz, dessen Baubeginn vor dem 1. Januar 2024 liegt und in dem weniger als 65 Prozent der insgesamt verteilten Wärme aus erneuerbaren Energien oder unvermeidbarer Abwärme stammen, hat der Wärmenetzbetreiber sicherzustellen, dass das Wärmenetz zum Zeitpunkt des Netzanschlusses die jeweils geltenden rechtlichen Anforderungen an dieses Wärmenetz erfüllt. Der Wärmenetzbetreiber hat dem Verantwortlichen die Erfüllung der Voraussetzungen nach Satz 1 zum Zeitpunkt des Netzanschlusses schriftlich zu bestätigen.

(3) Die Bestätigung des Wärmenetzbetreibers nach Absatz 1 Satz 3 und Absatz 2 Satz 2 steht für den nach § 71 Absatz 1 Verantwortlichen der Erfüllung der Anforderungen der Absätze 1 und 2 gleich.

Volltext des GEG im Bundesgesetzblatt Nr. 280 (Ausgabe vom 19. Oktober 2023):

www.recht.bund.de/bgbl/1/2023/280/VO.html

Anmerkung der Redaktion: Dies ist ein Artikel aus dem brandneuen Sonderheft „Gebäudeenergiegesetz 2024“. Die 100-seitige Publikation gibt es als Printversion für 15,00 Euro und als E-Paper auf ikz-select.de für 9,99 Euro. Premium- und Complete-Kunden haben freien Zugriff auf das E-Paper. Die gedruckte Ausgabe kann unter leserservice@strobelmediagroup.de angefordert werden.





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