Allgemeines

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Formen des Wärmebedarfs

Wärme wird in unserer Gesellschaft an den verschiedensten Stellen benötigt, insbesondere als

Der gesamte Endenergieverbrauch in Deutschland teilt sich wie folgt auf:

In Aachen sind die Verhältnisse ähnlich, wie sich aus dem "integrierten Klimaschutzkonzept 2020" (IKSK) der Stadt hier an Hand der CO2-Emissionen ergibt:


© IKSK 2020, Stadt Aachen

Wärme nimmt also den größten Anteil daran ein.

Die Formen des Wärmebedarfs unterscheiden sich insbesondere durch die benötigte Menge und das benötigte Temperaturniveau. Dies ist besonders bedeutsam, da sich Wärme auf niedrigem Niveau relativ einfach erzeugen lässt, während das bei Temperaturen bis über 1000° für spezielle industrielle Prozesse sehr viel aufwendiger ist.

Benötigte Wärmeniveaus:

 

Herkunft der Wärme heute

Traditionell wird der überwiegende Teil der Wärme nach wie vor durch Verbrennung der fossilen Energieträger Öl, Kohle, Gas hergestellt:


Quelle: Umweltbundesamt

Die fossilen Gewinnungsformen müssen aus Gründen des Klimaschutzes möglichst schnell reduziert bzw. eingestellt werden.

 

Herkunft der Wärme in Zukunft

Bevor über die Gewinnung von Wärme aus Erneuerbaren Energien nachgedacht wird, sollte jedes erdenkliche Potential zur Einsparung geprüft werden, da solche Potentiale langfristig betrachtet meistens günstiger sind und technisch oft weniger anspruchsvoll. Die folgende Grafik zeigt in der Zeile "Nutzenergie", dass die benötigte Wärmemenge für ein modernes Passivhaus nur etwa ein Zehntel der benötigten Wärmemenge eines Altbaus beträgt.


© Wuppertal Institut, "Metaanalyse zu Wasserstoffkosten und -bedarfen für die CO2-neutrale Transformation", Creative Commons 4.0

Jede Wärmeerzeugung sollte in Zukunft möglichst auf Basis bereits vorhandener Abwärme und Umweltwärme oder auf Basis der erneuerbaren Energieträger Biomasse, Wind, Sonne erfolgen. Betrachtet man in der obigen Grafik die benötigten grünen Strommengen für die Heizung eines Passivhauses (geeignet für Wärmepumpe) und eines Altbaus (Elektroheizung oder Wasserstoff-Gasheizung) , so unterscheiden sich die benötigten Primärenergiemengen ("PE Strom") um den Faktor 40 - 60!

 

Nutzung von Abwärme

Als Abwärme (Verlustwärme) bezeichnet man Wärme, die unerwünscht, aber technisch nicht vermeidbar ist, wie z.B. Abwärme von Computern, die Büros übermäßig aufheizt. Primäres Ziel ist es, solche Abwärme durch Umstellung der Prozesse zu verhindern oder zu minimieren. Wo dieses nicht möglich ist, ist die Nutzung von Abwärme in jedem Fall sinnvoll.

Dies ist der Grund, warum die Kommunen bis 2028 eine Wärmeplanung erstellen sollen, aus der die lokalen Abwärmemengen und Wärmebedarfe sowie deren geplante Deckung nach Mengen und Temperaturniveau entnommen werden können. Diese Wärmemengen können dann dezentral vor Ort erzeugt werden oder nach zentraler Erzeugung als Abwärme durch Wärmenetze (Aachener Wärmeplanung, Wärmenetz) an die Verbraucher verteilt werden. Es ist aber zu beachten, dass sich in Zukunft durch Umstellung von Prozessen die Abwärmemengen verringern werden. Die heutigen Wärmenetze verteilen zum größten Teil fossil erzeugte Wärme und sind damit nicht nachhaltig.

Prinzip der Wärmeplanung

 

grüner Wasserstoff

An Stelle fossiler Brennstoffe kann - nach entsprechendem Austausch der Technik - in fast allen Fällen auch Wasserstoff verwendet werden. Den heute verwendeten Wasserstoff bezeichnet man als grauen Wasserstoff , er wird in aller Regel aus Erdgas hergestellt und bringt damit bei der Klimawirksamkeit keinerlei Verbesserung.

Hier hilft nur die Verwendung von grünem Wasserstoff , der durch Elektrolyse vorwiegend aus PV- und Windstrom hergestellt wird. Da bei der Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse nur etwa 70% der Energie genutzt werden kann (mit Abwärmenutzung etwas mehr), ist jede Verwendung von erneuerbar hergestelltem Wasserstoff eine Verschwendung, wenn der Strom auch direkt hätte genutzt werden können. Denn bei der direkten Umwandlung von Strom in Wärme (z.B. Wasserkocher), wird annähernd 100% der elektrischen Energie genutzt. Berücksichtigt mann weiterhin, dass bei der Nutzung von Strom zur Erzeugung von Gebäudewärme eine Wärmepumpe einen Wirkungsgrad von etwa 300% hat, so kann gegenüber einer "Wasserstoffheizung" aus der gleichen Menge Strom etwa die vierfache Menge Wärme erzeugen.

Da bereits sicher erkennbar ist, dass sich in Deutschland nicht genügend grüner Wasserstoff für alle gewünschten Verwendungszwecke herstellen lässt, sollte der saubere grüne Wasserstoff für Verwendungen reserviert bleiben, bei denen technisch andere Lösungen nicht in Sicht sind - siehe Klassifikation in folgender Grafik. Viele der zur Zeit laufenden Pilotprojekte zur Erprobung der Wasserstofftechnik werden mit grauem Wasserstoff betrieben, da nicht genügend grüner Wasserstoff zur Verfügung steht. Es bleibt zu hoffen, dass dieses sehr schnell umgestellt werden kann.


© Von Gregor Hagedorn, Wolf-Peter Schill & Martin Kittel, based on Michael Liebreich/Liebreich Associates, Clean Hydrogen Ladder, Version 4.1, 2021. Concept credit: Adrian Hiel, Energy Cities , CC BY 4.0,

Allerdings plant die STAWAG trotzdem im Aachener Norden mit Windstrom grünen Wasserstoff zur Verwendung in Bussen herzustellen, obwohl absehbar ist, dass in diesen Bereichen die Verwendung von Batterien günstiger ist.

 

Biomasse, Biogas

Weiterhin kommt auch noch die Verbrennung von erneuerbarer Biomasse wie Biogas, Holz in Form von Holzhackschnitzeln oder Holzpellets in Betracht, da in diesem Fall das bei der Verbrennung entstehende Kohlendioxid vorher der Luft entzogen wurde. Hier ist jedoch zu beachten, dass ein erheblicher Ausbau kaum möglich ist, da er in Konkurrenz zur Nahrungsmittelerzeugung steht und eine Flächenausweitung die Natur erheblich schädigen würde. Der Kohlendioxidanteil der Luft steigt dabei allein schon dadurch, dass sich hierbei der Aufwuchs von Bäumen in Jahrzehnten vollzieht und die Biomasse in kurzer Zeit verbrannt wird. Anders ist dieses bei der Verwendung von Holz. z.B. zum Hausbau, da hier der Kohlenstoff im Holz über Jahrzehnte gebunden bleibt.

Auch für die Erzeugung und Verarbeitung von Biogas z.B. aus Mais (-> lokales Beispiel) und eventuelle Verarbeitung zu synthetischen Kraftstoffen wie Methanol kann aus obigen Gründen nicht erheblich erweitert werden. Auch hier ist bei der Herstellung der Energieverlust so hoch, dass die Herstellung für anders nicht lösbare Einsatzzwecke reserviert bleiben muss (z.B. Nutzung als Energiespeicher). Weiterhin lässt sich z.B. durch Nutzung der gleichen Fläche mit PV-Anlagen die 28-fache Menge an Energie erzeugen.

Biogaserzeugung STAWAG und hier

 

Wärmeenergie aus der Umwelt

Geothermie

© Epolk, Wikimedia Commons

Die Erde hat im Inneren eine Temperatur von mehreren tausend Grad. Die Wärme stammt zum Teil noch aus der Entstehungszeit der Erde, zum Teil aus radioaktiven Zerfallsprozessen im Erdinneren. Innerhalb menschlicher Zeiträume sind sie unerschöpflich. Normalerweise nimmt in der Erde die Temperatur pro 100 m Tiefe um 3 - 4° zu. Für die Geothermie sind natürlich besonders Gebiete interessant, bei denen schon in geringer Tiefe mehrere hundert Grad erreicht werden. Bei uns erreicht man jedoch nur in einigen Gebieten Norddeutschlands und im Oberrheingarben in 1000 - 2500 m Tiefe 40 - 100°. Im Unterschied zu anderen regenerativen Energiequellen ist die Nutzung der Geothermie nicht von Jahreszeit und Wetter abhängig.

Die Wärme der Aachener Thermalquellen wird ebenso aus solchen Prozessen gespeist, auch wenn die Wärme hier direkt an der Oberfläche erreichbar ist.

Bei der Geothermie unterscheidet man nach den in der Tiefe vorherrschenden Temperaturen

Liegen in der Tiefe wasserführende Schichten vor, so kann man das Wasser über einen Schluckbrunnen in die Tiefe leiten und über einen zweiten Brunnen ein Stück weiter wieder erwärmt fördern.
Im Bereich der Tiefengeothermie gab es 2005 nur etwa 30 Anlagen über 2 MW Leistung. Hier ist es auch problematisch, daß jede Tiefbohrung mit hohen Kosten verbunden ist, und sich niemals genau vorhersagen lässt, ob sich die erhofften Temperaturen und Wärmemengen ergeben. In Aachen wurde bei dem Projekt Super C eine Nutzung versucht.

Detailliertere Informationen unter Wikipedia Geothermie

Geothermisches Informationssystem für Deutschland

 

Solarthermie

Da Solarthermie schwerpunktmäßig im Sommer anfällt, Heizwärme aber vorwiegend im Winter genutzt wird, wird sie fast immer unter Verwendung von Wärmespeichern genutzt. Die Solarthermienutzung mit Hilfe von Sonnenkollektoren kann im Wohnungsbereich etwa 60% der jährlich benötigten Warmwassermenge erzeugen. Sie kann auch mit Hilfe von mehreren Kollektoren die Heizung unterstützen (bis 30% des Jahresbedarfs).

Erik Christensen, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia Commons

Oben das Beispiel eines großen Kollektorfeldes, dessen Wärme in das Wärmenetz im dänischen Marstal eingespeist wird.

Solarthermie Greifswald, Solarthermie Lemgo

Inzwischen gibt es auch sogenannte PVT-Module, die gleichzeitig PV-Strom und warmes Wasser erzeugen können.

 

Umweltwärme aus Luft, Wasser, oberer Bodenschicht

Die Wärme zum Heizen von Häusern wird im Winter und in der Übergangszeit benötigt. Hier liegt die Umgebungstemperatur der Luft je nach Jahreszeit und Wetter in der Heizperiode zwischen z.B. -10° und +15° und ist damit zum Heizen nicht direkt nutzbar. Sie ist aber noch so warm, dass ihr durch eine Wärmepumpe Wärmeenergie entzogen werden kann, die dann zum Heizen genutzt wird. Glücklicherweise ist Luft dieser Temperatur praktisch unbegrenzt vorhanden, die Abkühlung der Luft bei diesem Vorgang ist unerheblich.

Auch dem Wasser aus Bächen, Flüssen, Grundwasser sowie dem Abwasser mit einem Temperaturniveau von 0 bis 15° oder mehr lässt sich mit einer Wärmepumpe noch Wärmeenergie entziehen. Allerdings steht diese Ressource nur in bestimmten Fällen zur Verfügung. In entsprechenden Industriebereichen oder für Wärmenetze kann sie sehr bedeutsam sein.

Für Erdwärmekollektoren werden Wasser durchflossene Rohre großflächig im Erdboden in einer Tiefe von 1 - 2 m verlegt. Hiermit wird indirekt die Wärme des durch die Sonne aufgeheizten Bodens genutzt, der Wärmeanfall ist im Winter geringer. Auch hier wird für die Wärmenutzung eine Wärmepumpe benötigt.

 

Wärmepumpe

Eine Wikipedia Wärmepumpe arbeitet ähnlich wie der Kompressor eines Kühlschranks, nur dass hier im Gegensatz zum Kühlschrank nicht die Kälte sondern die erzeugte Wärme genutzt wird, die beim Kühlschrank an der Rückseite abgegeben wird.

Die Effektivität einer Wärmepumpe hängt sehr stark von den Randbedingungen ab:


© Luxo, Wikimedia Commons

Je nach Wärme lieferndem Medium unterscheidet man

Die Effektivität wird für verschiedene Betriebsbedingungen als COP (coeffizient of performance) angeben. In den technischen Daten findet man z.B. COP A2/W35 = 4,5. Das bedeutet: Bei einer Außentemperatur von 2° wird eine Heizwassertemperatur von 35° mit einem Wirkungsgrad von 4,5 erreicht. D.h., aus 1 kWh elektrischer Energie (für Kompressor und Pumpen) werden 4,5 kWh Wärmeenergie erzeugt. Die fehlenden 3,5 kWh werden der Luft bzw. dem Wasser entzogen. Für die gleiche Wärmepumpe gilt COP A7/W55 = 2,0

Beispiel für eine Wärmepumpe:


© WW

Die im Jahresmittel erreichte COP wird als Jahresarbeitszahl (JAZ) bezeichnet und sollte mindestens bei 3 liegen. Hierbei ist zu beachten, dass in unseren Breiten, die Außentemperatur auch in der Übergangszeit und im Winter in den Regel bestenfalls wenig unter dem Gefrierpunkt liegt. In dem Bereich A-7/W55 wird die Wärmepumpe also nur sehr selten betrieben. Zur Not steht in der Regel ein elektrischer Zusatz-Heizstab zusätzlich zur Verfügung. Das folgende Bild zeigt, bei welchen Außentemperaturen welche Wärmeenergiemengen im Jahr typischerweise erzeugt werden müssen:


© Planungsunterlagen Wolf Wärmepumpen

Damit dieses erfüllt wird, sollte die erforderliche Heiztemperatur im Winter auch bei Minusgraden nicht über 55° liegen. Es gibt aber auch Wärmepumpen, die 70° erreichen. In wie weit dieses im Haus erfüllt wird, hängt von der Dämmung des Gebäudes und der Art und Größe der Heizkörper ab. Bei neuen Häusern und Häusern mit Fußbodenheizung reicht in der Regel eine Heiztemperatur von 40°. Bei teilsanierten Häusern ohne Fußbodenheizung wird man in der Regel mit einer Heiztemperatur von 55° auskommen. Nur bei unsanierten Altbauten kann es problematisch werden, wobei auch hier begrenzte Maßnahmen wie der Einbau neuer Fenster, größerer oder mehrlagiger Heizkörper oder Heizkörperbooster bei der Senkung des Temperaturniveaus helfen können. Evtl. kann auch ein Hybridsystem eingesetzt werden, d.h. es gibt zusätzlich einen Gasheizkessel, der aber nur bei tiefen Minusgraden arbeitet. Jedes Haus muss hier gesondert geprüft werden. Man kann sich selbst einen Überblick verschaffen, in dem man im Winter bei Minusgraden die erforderliche Temperatur der Heizung misst - am Heizkessel ist sie aber vielfach zu hoch eingestellt.

Im Gegensatz zu einer fossilen Heizung muss die Wärmeleistung einer Wärmepumpe richtig angepasst sein. Ist sie zu klein, wird im Winter der elektrische Heizstab zu oft genutzt, was höhere Stromkosten verursacht. Ist sie zu groß, schaltet die Wärmepumpe bei geringem Heizbedarf in der Übergangszeit zu oft ein und aus, was die Lebensdauer verringert.

Kleine Etagenwohnungen z.B. lassen sich auch durch ein oder mehrere Klimaanlagen versorgen, wie man sie aus den Hotels südlicher Länder kennt. Dies sind letztlich nicht anderes als Wärmepumpen. Sie können auch zum Heizen verwendet werden. Allerdings arbeiten sie nicht mit Heizkörpern sondern mit Warmluftgebläsen.

Für größere Mietshäuser, Wärmenetze oder für die Industrie gibt es spezielle Großwärmepumpen, mit denen sich auch höhere Heiztemperaturen erreichen lassen.

Planungsunterlagen Wärmepumpe

Beispiel EFH mit Sole - Wasser Wärmepumpe

Beispiel EFH mit Luft - Wasser Wärmepumpe

Angebot für Selbst-Installierer

Wärmenetze

Bei der Verwendung von (Nah/Fern)-Wärmenetzen wird die Wärme zentral erzeugt und über isolierte Rohre mit heißem Wasser an die Teilnehmer geleitet. Dadurch wird im einzelnen Haus keine Heizung benötigt, man ist jedoch bezüglich des Preises der Wärme von dem Monopolversorger abhängig. Solche Netze lohnen sich nur in relativ dicht bebauten Gebieten, da die Installation der Rohrleitungen aufwendig und teuer ist. In Neubaugebieten mit Wärmenetz wird deshalb oft ein Anschlusszwang festgelegt.

Die zentrale Wärmeerzeugung für ein solches Netz in Heizkraftwerken ist heute noch vielfach fossil, dann hilft das Netz nicht bei der Einsparung von Klimagasen. Teilweise werden auch Blockheizkraftwerke (BHKW) verwendet, d.h., es wird mit z.B. mit einem großen Gasmotor Strom erzeugt und die dabei anfallende Abwärme zur Wärmeversorgung genutzt. Dies ist gegenüber einer reinen Stromerzeugung klimafreundlicher, da sonst die Abwärme verloren geht. Es ist aber letztlich immer noch eine fossile Erzeugung. Bei uns laufen solche BHKW teilweise auch, wenn nur der Strom benötigt wird und die Abwärme nicht genutzt werden kann.

Wirklich klimafreundlich sind Wärmenetze also nur, wenn auch hier die Wärme über Großwärmepumpen oder große Solarfelder erzeugt wird oder sowieso vorhandene Abwärme genutzt wird. Die hierbei erzeugte Wärme liegt oft auf niedrigeren Temperaturniveau (50° oder kälter). Das reicht für sanierte Häuser, alternativ muss in den Häusern zusätzlich eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe installiert werden.

Beispiel Blockheizkraftwerk der STAWAG im Nahwärmenetz Hander Weg

Wärmeerzeugung in den Wärmenetzen der STAWAG

Wärmenetz in Aachen

 

Wärmespeicher

Wenn Wärmebedarf und Wärmeerzeugung zeitlich nicht übereinstimmen, wird ein Speicher benötigt. Will man z.B. PV-Strom tagsüber für die in der Nacht benötigte Wärme nutzen, so benötigt man einen Wärmespeicher. Die alternative Speicherung des zur Erzeugung benötigten Stroms ist meistens viel kostenintensiver. Allerdings benötigen solche Speicher für ein EFH mehrere Hundert - Tausend Liter Größe. Geht es um die Speicherung für ganze Wärmenetze oder sogar Saisonspeicher für den gesamten Winter, werden noch sehr viel größere Speicher benötigt.

Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass jeder Speicher - auch mit Isolierung - einen Wärmeverlust hat. Dieser beträgt z.B. bei einem 200l Warmwasser-Speicher etwa 1 kWh/d. Dies ist besonders für Langzeit-Saisonspeicher von Bedeutung. Solche Speicher sind deshalb nur in sehr großer Ausführung sinnvoll, da hier die Relation zwischen Speicherinhalt und Wärmeverlusten günstiger ist. Hier werden z.B. Erdspeicher verwendet.

 

Direktes Heizen mit Strom aus Erneuerbaren Energien

Vom Durchlauferhitzer oder Warmwasserbereiter her weiß man, dass direktes Heizen mit Strom bezüglich der Geräteausstattung sehr einfach und damit bezüglich der Installationskosten günstig ist.

Dies ist auch für die Raumheizung z.B. mit einer Infrarotheizung oder einer elektrischen Direktheizung möglich. Hier ist aber zu beachten, dass aus 1 kWh Strom auch nur 1 kWh Wärme entsteht. Es wird also etwa die 3-fache Energiemenge wie bei einer Wärmepumpe benötigt. Wegen des hohen Strompreises ist so etwas nur bei Häusern mit sehr geringem Heizbedarf oder kurzzeitig in Sonderfällen sinnvoll, z.B. im Badezimmer während des Aufenthalts darin.

 

© WW, www.Aachen-hat-Energie.de, 12/2023