Die Wärmeversorgung in Städten auf erneuerbare Energien umzustellen, ist eine besonders anspruchsvolle Aufgabe. Fernwärmenetze können dabei eine wichtige Rolle spielen. Sie sind gut dafür geeignet, Wärme am Ort ihrer Produktion in Leitungen einzuspeisen und zu den Verbrauchsstellen in einer Stadt zu transportieren.
Bisher wird Fernwärme vor allem aus fossilen Energieträgern wie Erdgas, Braunkohle und Steinkohle produziert. Der Anteil erneuerbarer Energien liegt bundesweit bisher bei 20 Prozent und soll deutlich ausgebaut werden. Dazu ist es notwendig, eine Vielzahl erneuerbarer Energietechniken zu erschließen.
Es liegt nahe, Solarwärme-Anlagen im Umfeld einer Stadt zu bauen und in ein Fernwärmenetz einzubinden. Auch Biomasse-Heizkraftwerke können in ein solches System passen. In Regionen mit gut ausgebauter Solar- und Windstromproduktion lässt sich zudem der dort anfallende Überschuss-Strom nutzen, um Wärme aus Strom zu produzieren.
Viele Formen von Abwärme und Umgebungswärme werden bisher noch wenig genutzt, weil sie oft mit einer relativ niedrigen Temperatur verfügbar sind. Deshalb können sie nicht ohne weiteres in ein Fernwärmenetz eingespeist werden, das mit Heißwasser arbeitet.
Erfahrungen in Nordeuropa zeigen allerdings, dass es dennoch möglich ist, diese Wärmequellen wirksam für die Wärmeversorgung von Städten zu erschließen. Hier werden schon seit vielen Jahren strombetriebene Großwärmepumpen eingesetzt, um verfügbare Niedertemperatur-Wärme auf das höhere Temperaturniveau zu heben, das für Fernwärmenetze notwendig ist.
In Nordeuropa seit Jahrzehnten im Einsatz
Dieses Themenfeld hat die Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie (IEG) in Cottbus im Auftrag der Rosa-Luxemburg-Stiftung untersucht. In der Studie "Potenziale von Großwerkpumpen in Brandenburg und Sachsen" wertet sie die Erfahrungen in Nordeuropa aus und zeigt, wie Großwärmepumpen in Deutschland vorankommen. Schließlich geht sie besonders auf künftige Einsatzmöglichkeiten in Brandenburg und Sachsen ein.
Der Studie zufolge gibt es in Nordeuropa schon sehr lange Erfahrungen mit Großwärmepumpen. Seit dem Jahr 1986 werden solche Aggregate in der schwedischen Hauptstadt Stockholm genutzt, um die Abwärme eines Klärwerks zu erschließen. Hier sind inzwischen sieben Abwasser-Wärmepumpen mit einer hohen Wärmeleistung von insgesamt 225 Megawatt in Betrieb.
Die finnische Stadt Espoo hat seit 2015 ein ganzes System verschiedener Großwärmepumpen aufgebaut, die Wärme aus Abwasser, Meerwasser, Umgebungsluft, Rechenzentren und Industrie verarbeiten. Damit soll es hier möglich werden, die Wärmeerzeugung aus Kohle im Jahr 2025 zu beenden.
Dass die Großwärmepumpen in Nordeuropa schon weit verbreitet sind, führen die Studienautorinnen und -autoren auf mehrere Faktoren zurück: günstige Strompreise, effektive CO2-Preise für fossile Brennstoffe und ein klarer politischer, wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Wille, die Wärmeversorgung unabhängig von fossilen Energiequellen zu machen.
Erste Projekte in Deutschland
Diese Technik kommt nun auch in Deutschland voran. Laut der Studie waren im Januar dieses Jahres mindestens 48 Großwärmepumpen mit einer Wärmeleistung von 500 Kilowatt oder mehr in Betrieb. Weitere 53 Projekte waren angekündigt oder geplant.
So betreiben die Stadtwerke Lemgo in Nordrhein-Westfalen drei Großwärmepumpen. Sie gewinnen Wärmeenergie aus einer Kläranlage, aus Restwärme eines kleinen Gaskraftwerks und aus Flusswasser. Diese Niedertemperatur-Wärme, die mit bis zu 43 Grad Celsius vorliegt, bereiten sie für die Fernwärmeversorgung der Stadt auf, die mit 95 Grad arbeitet.
Großwärmepumpen arbeiten seit April 2023 auch in der Geothermie-Anlage im Schweriner Stadtteil Lankow in Mecklenburg. Hier wird die sogenannte Solewärme aus 1.300 Metern Bohrtiefe zunächst mit einer Temperatur von 56 Grad gewonnen. Diese Temperatur heben dann vier große Wärmepumpen auf 80 Grad an.
Im Sommer reicht dieses Niveau schon aus, um Heißwasser in das Fernwärmesystem einzuspeisen. In den anderen Jahreszeiten wird Wärme aus einem nahen Heizkraftwerk genutzt, um die dann notwendigen höheren Temperaturen von bis zu 130 Grad zu erreichen.
In Brandenburg und Sachsen sieht die Studie eine ganze Reihe von Einsatzmöglichkeiten für Großwärmepumpen. Dabei komme es vor allem auf eine geeignete Wärmequelle an: "Es bedarf einer projektspezifischen Prüfung, ob eine passende Wärmequelle verfügbar ist, die sowohl den genehmigungsrechtlichen Anforderungen entspricht als auch einen wirtschaftlichen Betrieb ermöglicht."
Wärme aus Oberflächengewässern und Abwasser
Als eine mögliche Wärmequelle für die sogenannte Gewässerthermie gilt Fluss- und Seewasser. Je nach Jahreszeit bewegt es sich in einem Temperaturbereich zwischen vier und 25 Grad Celsius. Großwärmepumpen könnten dieses Temperaturniveau so weit anheben, dass es sich für Fernwärmenetze eignet.
Das Abwasser aus Kanälen und Kläranlagen hat ein etwas stabileres Temperaturniveau, das zwischen zwölf Grad im Winter und 20 Grad im Sommer liegen kann. Auch das Grubenwasser in stillgelegten sächsischen Steinkohle- und Erzbergwerken wird als sehr wertvolle Wärmequelle genannt. Hier sind bereits zehn Grubenwasser-Thermieanlagen in Betrieb.
Als weitere Wärmequellen, die mit Großwärmepumpen genutzt werden können, nennt die Studie Umgebungsluft, industrielle Abwärme und Rechenzentren. Auch die Geothermie kommt prinzipiell infrage, ist aber stark von der Beschaffenheit des Untergrunds abhängig. Sie ist bisher erst wenig untersucht worden.
Neben geeigneten Wärmequellen kann auch günstig verfügbarer Strom aus nahen Solar- und Windparks eine wichtige Rolle für Projekte mit Wärmepumpen spielen. Strom-Direktleitungen eröffnen Möglichkeiten dafür. Sie erlauben sogar einen Inselbetrieb der Wärmeversorgung, wenn das allgemeine Stromnetz einmal ausfallen sollte.
Die Studie beschreibt mehrere Beispiele von Gemeinden in Bayern und Schleswig-Holstein, in denen Großwärmepumpen über solche Direktleitungen mit Solar- und Windstrom versorgt werden. Für Brandenburg und Sachsen nennt sie solche Projekte nicht. Es wird aber deutlich, dass es hier durchaus auch Möglichkeiten dafür gibt.
Fernwärme aus Braunkohle ablösen
Gute Einsatzperspektiven für die Großwärmepumpen könnten sich in Städten eröffnen, deren Fernwärme noch in Braunkohlekraftwerken erzeugt wird. Diese Kraftwerke werden für den Kohleausstieg bis spätestens 2038 stillgelegt. Deshalb muss hier auch die Fernwärme mit einem größeren Tempo dekarbonisiert werden als anderswo.
So basiert die Wärmeversorgung der Städte Spremberg in Brandenburg sowie Hoyerswerda und Weißwasser in Sachsen weitgehend auf Fernwärme aus den zwei nahen Braunkohlekraftwerken Boxberg und Schwarze Pumpe. Darum haben die drei Städte eine Dekarbonisierungs- und Transformationsstrategie für ihre Wärmeversorgung erarbeiten lassen – ebenfalls vom Fraunhofer IEG.
Die dabei entwickelten Konzepte setzen zu einem großen Teil auf Großwärmepumpen, die Oberflächengewässer und Umgebungsluft als Wärmequellen nutzen. So stuft das Konzept für Hoyerswerda den nahen Scheibesee als wichtigste Wärmequelle ein. Er könnte demnach als Standort für die Gewässerthermie erschlossen werden.
Eine große Seewasser-Wärmepumpe mit 20 Megawatt thermischer Leistung soll diese Wärme auf ein höheres Temperaturniveau bringen und so für die Fernwärme erschließen. Dem Konzept zufolge könnte diese Gewässerthermie die Hälfte des Fernwärmebedarfs von Hoyerswerda decken.
Die übrige Wärmeenergie könnte von einer großen Luftwärmepumpe und einer Solarthermie-Anlage mit Erdbeckenspeicher kommen. In diesem Speicher soll Solarwärme, die sich im Sommer reichlich ernten lässt, für den Winter eingelagert werden.
