Vernetzung von Wärme

Abwärme wird entweder direkt an ein Trägermedium wie Wasser oder Luft abgegeben oder gelangt in Form von Wärmestrahlung in die Umwelt.

Erste Priorität sollte stets die Vermeidung von Abwärme haben. Durch geringere Mengen an Abwärme im Prozess wird eine höhere Energieeffizienz erreicht. Außerdem ist die Nutzung von Abwärme stets mit planerischem und technischem Aufwand verbunden und verursacht zusätzlichen Investitionsbedarf und Betriebskosten. Eine vollständige Vermeidung von Energieverlusten durch Abwärme ist zwar in der Regel nicht möglich. Jedoch können durch bestimmte Maßnahmen ungewollte Wärmequellen stark reduziert werden. Hierzu zählen eine intelligente Prozess- und Verfahrensgestaltung, entsprechende Anlagen- und Gebäudetechnik mit hoher Energieeffizienz sowie eine bestmögliche Wärmedämmung.

Neben der direkten Weiternutzung der Wärme kann die Energie auch eingesetzt werden, um Kälte oder elektrischen Strom zu erzeugen. Eine Absorptionskältemaschine mit einer Leistungszahl von 0,6 – 0,75 kann aus 20 kW Abwärmeleistung eine Kälteleistung von 12 bis 15 kW generieren. Aus 500 kW Abwärmeleistung kann mithilfe einer ORC-Anlage mit 10 Prozent Wirkungsgrad eine elektrische Leistung von 50 kW erzeugt werden* Deutsche Energie-Agentur GmbH (2015): Erfolgreiche Abwärmenutzung im Unternehmen (online) - Energieeffizienzpotenziale erkennen und erschließen, (abgerufen am: 17.05.2022), S. 5. . Das ORC-Verfahren kommt dabei schon mit niedrigen Temperaturen der Abwärme ab 70 °C aus, um aus der enthaltenen nutzbaren Energie (Exergie) Strom zu generieren.

Ein Risiko für das abnehmende Unternehmen stellt die zwischenbetriebliche Abhängigkeit dar. Kann das liefernde Unternehmen die geforderte Stabilität der abzugebenden Wärmemenge versichern, lässt sich dieses Risiko jedoch minimieren. Ist die Wärmelieferung für das beziehende Unternehmen von essenzieller Bedeutung, bietet es sich an, eine Ersatzwärmequelle als Reserve für unvorhersehbare Fälle vorzuhalten.

Um den Austausch von überschüssiger Wärmeenergie zwischen Unternehmen zu erleichtern, ist in Thüringen im Rahmen eines Projektes der Thüringer Energie- und Green-Tech-Agentur (ThEGA) ein Abwärmekataster erstellt worden* Thüringer Energie- und GreenTech-Agentur GmbH (2019): Abwärme besser nutzen in Thüringen (online). . Darin sind die jeweiligen Abwärmequellen mit Angaben zu Art und Menge der möglichen Energielieferungen dargestellt. Dieses Projekt zeigt beispielhaft auf, wie eine Datenbank aussehen kann, in der sich Unternehmen über mögliche Wärmezuliefernde und -abnehmende informieren können.

Wärmenetze sind zumeist mit zentralen Wärmespeichern ausgestattet und bieten daher den Vorteil, Schwankungen der eingespeisten Energiemengen ausgleichen zu können. Dadurch wird den Abnehmern eine konstante Wärmeentnahme ermöglicht und die Versorgungssicherheit gewährleistet. Auch kann durch Speichersysteme die Volllaststundenanzahl erhöht und somit die Effizienz des Systems gesteigert werden* Thüringer Energie- und GreenTech-Agentur GmbH (2019): Abwärme besser nutzen in Thüringen (online), S. 44. .

Die Einspeisung kann prinzipiell im Vor- oder auch im Rücklauf geschehen. Es sind jedoch, je nach gewählter Einspeisestelle, unterschiedliche Mindesttemperaturen zu erfüllen. Im Fernwärmenetz sind Vorlauftemperaturen von 80 bis 140 °C üblich. Die Rücklauftemperaturen liegen zumeist etwa 30 bis 40 °C darunter. Die benötigten Temperaturen in Nahwärmenetzen sind mit 70 bis 90 °C im Vorlauf und 50 bis 55 °C im Rücklauf deutlich niedriger* Pichlmeier, F. (2018): Ressourceneffizienzpotenziale von Gewerbegebieten, Berlin. VDI ZRE Publikationen: Kurzanalyse. 22, S. 40. .

Sollen regenerative Energien zur Wärmeerzeugung genutzt und in ein Wärmenetz eingespeist werden, bieten Niedertemperatur-Wärmenetze eine praktikable Lösung. Die dort erreichten Temperaturen von zumeist maximal 70 °C passen beispielsweise sehr gut zum Wärmeprofil von Solarkollektoranlagen. Darüber hinaus können durch den geringeren Temperaturunterschied zwischen Wärmenetz und Umgebung die Übertragungsverluste verringert werden. Zudem ist die Einspeisung für die einzelnen angeschlossenen Wärmelieferanten durch das niedrigere Temperaturniveau erleichtert. Mithilfe von Zwischenspeichern (bspw. große Saisonspeicher) im Wärmenetz können auch hier Schwankungen in der Einspeisung ausgeglichen und eine bessere Abdeckung des Bedarfes sichergestellt werden. Bisher sind Niedertemperatur-Wärmenetze in Deutschland noch nicht sonderlich verbreitet. In Dänemark hat sich hingegen die Nutzung solcher Netze bereits etabliert* Schneller, A., Frank, L., & Töpfer, K. (2017): Wärmenetze 4.0 im Kontext der Wärmewende (online) - Analyse der Regelungs- und Förderlandschaft innovativer Wärmenetzsysteme, S. 8 f. .

In innovativen Wärmenetzen (Wärmenetze 4.0) auf Niedertemperaturniveau speisen gewöhnlich mehrere regenerative Wärmeerzeuger in Kombination in das Netz ein. Dadurch wird die teils stark schwankende Erzeugung der Wärmeanlagen ausgeglichen und den Abnehmern steht eine kontinuierliche und gesicherte Menge an Wärmeenergie zur Verfügung* https://www.adelphi.de/de/publikation/w%C3%A4rmenetze-40-im-kontext-der-w%C3%A4rmewende" text="Schneller, - Analyse der Regelungs- und Förderlandschaft innovativer Wärmenetzsysteme, S. 11." hover_text="*" target="_blank"].

Die Abnahme von überschüssiger Wärmeenergie muss nicht zwangsläufig innerhalb des Industrie- oder Gewerbegebiets geschehen. Neben Unternehmen bieten sich auch Gebäude aus nahegelegenen Wohngebieten als Wärmesenke an. Entsprechend des zur Verfügung stehenden Temperaturniveaus kann das Netz dabei als Fern-, Nah- oder Niedertemperatur-Wärmenetz geplant werden. Wärmepumpen sind beispielsweise eine bewährte Technologie, um Energie aus Niedertemperaturnetzen im Gebäude auf ein höheres Temperaturniveau zu heben und somit besser nutzbar zu machen.

Mit der Nutzung von Wärmeverbünden ergeben sich zahlreiche Chancen für alle Beteiligten* Pichlmeier, F. (2018): Ressourceneffizienzpotenziale von Gewerbegebieten, Berlin. VDI ZRE Publikationen: Kurzanalyse. 22, S. 62. :

• unterschiedliche Ausbaustufen von Wärmesenken
• Nutzung von als emissionsfrei angesehener Abwärme
• Imagegewinn für das Unternehmen und Steigerung der Nachhaltigkeit im Unternehmen
• Aufbau einer Beziehung zwischen Unternehmen und Wohngebiet: positive Stimmung, höhere Akzeptanz für die Unternehmen vor Ort

Folgende Aspekte sind bei der Planung und Umsetzung eines Wärmenetzes mit industrieller Abwärme zu beachten* Pichlmeier, F. (2018): Ressourceneffizienzpotenziale von Gewerbegebieten, Berlin. VDI ZRE Publikationen: Kurzanalyse. 22, S. 62. :

• evtl. hoher organisatorischer Aufwand durch verschiedene Beteiligte: Unternehmen, öffentliche Hand, Wärmeabnehmer, Contracting-Partner
• möglicherweise lange Amortisationszeiten: Planung auf lange Sicht notwendig
• eine erforderliche Mindestanzahl von Wärmeabnehmern bzw. einer Wärmemenge sollte sichergestellt sein (für Abnehmer muss die Umstellung/der Anschluss rentabel sein)
• rechtliche Besonderheiten müssen geklärt sein (z. B. eine Zusicherung der Abwärme für einen festen Zeitraum)
• hohe Anfangsinvestitionen können anfallen (abhängig von der Transportentfernung)
• Absicherung durch einen Ersatzwärmeerzeuger ist sinnvoll

Hinzu kommen technische Beschränkungen bei der Planung und Umsetzung von Wärmenetzen mit dezentraler Einspeisung. Die Integration einer Wärmequelle in ein leitungsgebundenes Verteilnetz gestaltet sich grundlegend anders, als eine Stromquelle ins Stromversorgungsnetz einzubinden. Da der Energietransport im Wärmeverteilnetz auf Strömung basiert, die von Pumpen erzeugt wird, ist eine Veränderung der transportierten Wärmemenge nur in geringem Ausmaß möglich. Das Netz muss zudem bestimmte hydraulische Gegebenheiten erfüllen, weshalb eine Einspeisung größerer Wärmemengen nicht an jedem Punkt des Netzes möglich ist. Durch intelligente Regelmechanismen kann die Einspeisung den Anforderungen nach optimal gesteuert werden. In bestehenden Wärmenetzen sind daher technische Anschlussbedingungen festgelegt, durch deren Einhaltung die Funktionalität der Netze sichergestellt werden soll* Schneller, A., Frank, L., & Töpfer, K. (2017): Wärmenetze 4.0 im Kontext der Wärmewende (online) - Analyse der Regelungs- und Förderlandschaft innovativer Wärmenetzsysteme, S. 17. .

Bedingt durch den hohen organisatorischen Aufwand und die rechtlichen Anforderungen wurden in Deutschland bisher nur wenige Projekte in diesem Bereich realisiert* Pichlmeier, F. (2018): Ressourceneffizienzpotenziale von Gewerbegebieten, Berlin. VDI ZRE Publikationen: Kurzanalyse. 22, S. 62 f. . Neue Förderprogramme zur finanziellen Unterstützung von Abwärmenutzung und zu Niedertemperaturwärmenetzen (Wärmenetze 4.0) bieten allerdings attraktive Anreize für Unternehmen und kommunale Betriebe, in dieser Richtung tätig zu werden* Deutsche Energie-Agentur GmbH (2017): Abwärme nutzen - praxiserprobt und wirtschaftlich, Berlin, (abgerufen am: 17.05.2022). .

Als Medium zur Übertragung von Energie dient in Wärmenetzen meist Wasser bzw. Wasserdampf, da es als frei von umweltschädlichen Auswirkungen angesehen wird* Bruns, E.; Futterlieb, M. und Ohlhorst, D. & Wenzel, B. (2012): Netze als Rückgrat der Energiewende - Hemmnisse für die Integration erneuerbarer Energien in Strom-, Gas- und Wärmenetze, Universitätsverlag der TU Berlin, Berlin, ISBN 978-3-7983-2471-8. . Da zudem die Leitungen meist unter der Erde verlegt werden, sind nur selten Umwelt- und Akzeptanzprobleme in der Bevölkerung zu beobachten* Bruns, E.; Futterlieb, M. und Ohlhorst, D. & Wenzel, B. (2012): Netze als Rückgrat der Energiewende - Hemmnisse für die Integration erneuerbarer Energien in Strom-, Gas- und Wärmenetze, Universitätsverlag der TU Berlin, Berlin, ISBN 978-3-7983-2471-8. . Außerdem liegt es im wirtschaftlichen Interesse des Wärmenetzbetreibers, die Verluste möglichst gering zu halten und daher eine entsprechende Isolierung der Rohre sicherzustellen. Der Erwärmung des Erdreiches und damit einhergehender Umwelteinwirkungen wird somit vorgebeugt. Da jedoch der Erdaushub umweltschädliche Auswirkungen haben kann, ist dieser genehmigungspflichtig. Auch ist es denkbar, dass zur Verlegung der geplanten Rohrleitungen Bäume gefällt werden müssen, wofür ebenfalls ein Antrag bei der zuständigen Behörde gestellt werden muss.

Wärmenetze mit einer Länge von weniger als fünf Kilometern fallen normalerweise in den Geltungsbereich des Bebauungsplans. Sowohl Umweltverträglichkeitsprüfung als auch Planfeststellungs- oder Genehmigungsverfahren sind in diesem Falle nicht erforderlich* Schneller, A., Frank, L., & Töpfer, K. (2017): Wärmenetze 4.0 im Kontext der Wärmewende (online) - Analyse der Regelungs- und Förderlandschaft innovativer Wärmenetzsysteme, S. 23. . Für größere Wärmenetze können die genannten Prüfungs- und Genehmigungsverfahren durchaus erforderlich sein. Die Notwendigkeit dazu sollte in jedem Fall in der Vorplanung geprüft werden.

Wird überschüssige Abwärme an Dritte abgegeben, erhält der wärmeliefernde Betrieb dafür eine Vergütung. Bei der direkten Weiterleitung an ein Unternehmen werden Angebot und Abnahme vertraglich mit diesem geregelt. Bei der Einleitung in ein Fernwärmenetz kann die Vergütung bspw. durch den Netzbetreiber erfolgen* Schneller, A., Frank, L., & Töpfer, K. (2017): Wärmenetze 4.0 im Kontext der Wärmewende (online) - Analyse der Regelungs- und Förderlandschaft innovativer Wärmenetzsysteme, S. 14 ff. . Somit werden zusätzliche Umsätze generiert und zuvor ungenutzte Einkommensquellen erschlossen. Bei der Planung von Projekten zur Abwärme-Weiterleitung an Dritte werden zur ersten Abschätzung der Wirtschaftlichkeit zwei Parameter genutzt* McKenna, R. & Fichtner, W., Hg. (2011): Tagungsband des VDI-Expertenforums - Energieeffizienz in den Städten und der Industrie von morgen, Karlsruhe, KIT Scientific Publishing, S. 124. :

• die Leistungsdichte, sprich die höchstens übertragbare Leistung pro Meter Leitungslänge
• die übertragbare Energiemenge pro Leitungsmeter und Jahr.

Um die Wirtschaftlichkeit des Systems zu sichern, sollte die Leistungsdichte mindestens 1 kW/m und die übertragene Energiemenge mindestens 2 MWh/(m*a) betragen* McKenna, R. & Fichtner, W., Hg. (2011): Tagungsband des VDI-Expertenforums - Energieeffizienz in den Städten und der Industrie von morgen, Karlsruhe, KIT Scientific Publishing, S. 124. .