Die Energiewende gehört zu den zentralen Herausforderungen unserer Zeit. Der zunehmende Ausstoß von Treibhausgasen, die Erschöpfung fossiler Ressourcen und die steigende Abhängigkeit von geopolitisch riskanten Energiequellen verdeutlichen, warum ein Umdenken notwendig ist. Erneuerbare Energien spielen dabei eine Schlüsselrolle: Sie basieren auf Ressourcen, die praktisch unbegrenzt zur Verfügung stehen, wie Erdwärme oder Sonnenlicht. Aufgrund der Bandbreite an verschiedenen Technologien werfen wir in diesem Artikel einen Blick auf den Bereich Wärme.

Wie deutlich wird, besteht nach wie vor eine starke Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen, insbesondere Erdgas. Obwohl der Einsatz erneuerbarer Energien stetig wächst, ist der Übergang zu einer vollständig nachhaltigen Energieversorgung noch ein weiter Weg.

Um den Übergang zu einer nachhaltigen Energieversorgung zu unterstützen, gibt es eine Vielzahl an Europäischen und nationalen Initiativen, die gezielt auf dieses Thema abzielen. Der EU Green Deal strebt an, die Europäische Union bis 2050 klimaneutral zu machen. Dies umfasst Maßnahmen zur Reduktion von Treibhausgasemissionen und zur Förderung erneuerbarer Energien. Beispielsweise zielt die Erneuerbare-Energien-Richtlinie darauf ab, den Anteil erneuerbarer Energiequellen bis 2030 auf über 42,5 % zu erhöhen. Die EU-Energieeffizienzrichtlinie sowie die EU-Gebäuderichtlinie ergänzen dies durch verbindliche nationale Ziele zur Förderung der Energieeffizienz im Allgemeinen wie auch in Gebäuden. Die Mitgliedstaaten sind dazu verpflichtet, Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz umzusetzen und den Energieverbrauch zu optimieren.

Die europäischen Vorhaben werden auf nationaler Ebene durch verschiedene Gesetze umgesetzt. In Deutschland spielen unter anderem das Klimaschutzgesetz (KSG), das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), das Energiewirtschaftsgesetz (EnWG), das Energieeffizienzgesetz (EnEfG) und das Gebäudeenergiegesetz (GEG) eine zentrale Rolle. Das KSG setzt verbindliche Ziele für die Reduktion von Treibhausgasemissionen. Ziel ist es, die Emissionen bis 2030 um mindestens 55 % im Vergleich zu 1990 zu senken. Ergänzt wird dies durch das EEG, das den Ausbau erneuerbarer Energien fördert. Das EnWG regelt die Rahmenbedingungen für die Energieversorgung und fördert den Übergang zu einer nachhaltigen und effizienten Energieversorgung. Das EnEfG dient der Steigerung der Energieeffizienz in Unternehmen und zielt darauf ab den Primär- und Endenergieverbrauch zu senken. Das GEG unterstützt den energieeffizienten Umbau des Gebäudebestands und die verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien in Gebäuden.

Diese rechtlichen Rahmenbedingungen sind entscheidend für den erfolgreichen Übergang zu einer zukunftsfähigen Energieversorgung.

Nah und Fernwärme netze – die kommunale Wärmeplanung

Ebenfalls entscheidend ist für Deutschland die kommunale Wärmeplanung. Nah- und Fernwärmenetze spielen eine zentrale Rolle im Hinblick auf die nachhaltige Energieversorgung. Der Übergang von einer dezentralen Energieversorgung, bei der jede Einheit unabhängig mit einer Einzelheizung betrieben wird, zu einer zentralen Planung für Quartiere oder Stadtgebiete, ist entscheidend für eine effiziente Wärmeversorgung. Dies bedeutet, dass Energieversorgungssysteme vernetzt und koordiniert geplant werden müssen. Doch wie funktioniert ein solches Wärmenetz?

Ein Wärmenetz ist ein System zur zentralen Versorgung von Gebäuden mit Wärmeenergie, die in einer zentralen Anlage erzeugt wird, beispielsweise durch Kraft-Wärme-Kopplung (wie im Bild zu sehen), Geothermie oder Biomasse. Die Wärme wird über isolierte Rohrleitungen in Form von heißem Wasser oder Dampf zu den angeschlossenen Gebäuden transportiert, wo sie für Heizung und Warmwasser genutzt wird. Durch die zentrale Produktion und Verteilung ermöglicht ein Wärmenetz eine effiziente Energieversorgung.

Hierbei spielt der Primärenergie-Faktor (PEF) der Anlage eine wichtige Rolle, da er die gesamte Menge an Primärenergie beschreibt, die für die Erzeugung und Übertragung von Wärme benötigt wird. Der PEF sagt somit aus, wie viel Primärenergie (z.B. Öl) aufgewendet werden muss, damit eine Einheit Endenergie (kWh Wärme) erzeugt werden kann. Er berücksichtigt Verluste bei der Gewinnung, Umwandlung und Verteilung der Energie. In anderen Worten: Fernwärme ist immer nur so “gut”, wie der verwendete Energieträger. Nachfolgende Grafik gibt einen kurzen Überblick über die unterschiedlichen PEFs.

Kommunen in Deutschland sind verpflichtet, ihre kommunalen Wärmepläne bis spätestens 30. Juni 2026 zu erstellen, sofern sie mehr als 100.000 Einwohner haben. Für kleinere Gemeinden mit weniger als 100.000 Einwohnern gilt eine Frist bis zum 30. Juni 2028. Diese Fristen sind im Wärmeplanungsgesetz festgelegt, das am 1. Januar 2024 in Kraft trat. Bis 2045 müssen Städte und Kommunen ihre Wärmeversorgung vollständig klimaneutral gestalten, was bedeutet, dass alle Maßnahmen der kommunalen Wärmeplanung bis zu diesem Zeitpunkt umgesetzt sein müssen. Doch welche Möglichkeiten gibt es für den Einsatz erneuerbarer Energien?

Geothermie & Wärmepumpen

Geothermie und Wärmepumpen nutzen Umweltwärme, um Gebäude oder ganze Quartiere nachhaltig mit Wärme zu versorgen. Umweltwärme bezieht sich auf die natürliche Wärme, die in der Erde, in der Luft und im Wasser gespeichert ist. Der Hauptunterschied zwischen Geothermie und Wärmepumpen liegt in der Art und Weise, wie sie Wärmequellen nutzen und deren Effizienz in Abhängigkeit von äußeren Faktoren wie der geologischen Beschaffenheit oder saisonalen Schwankungen.

Geothermie bezieht ihre Wärme aus der Erde, typischerweise aus Tiefen von mehreren Hundert bis über 2.000 Metern. Je tiefer man ins Erdinnere vordringt, desto höher steigt die Temperatur. Daher werden Tiefenbohrungen vor allem bei großgeplanten Wärmenetzen durchgeführt.

Berliner Mieterverein e.V. (2024). Wie Erdwärme nutzbar wird.

Diese konstante Wärmequelle ermöglicht es geothermischen Systemen, unabhängig von saisonalen Veränderungen eine stabile Wärmeversorgung zu gewährleisten. Die Effizienz bleibt daher über das ganze Jahr hinweg hoch und konstant. Allerdings erfordert die Installation geothermischer Systeme hohe Investitionskosten für die Tiefenbohrung und die geologische Beschaffenheit des Standorts spielt eine wichtige Rolle für die Rentabilität. Geothermie eignet sich hervorragend für Quartierslösungen, da sie durch die stabile Wärmequelle eine langfristig zuverlässige Energieversorgung bietet. Besonders in urbanen Gebieten oder neu geplanten Stadtentwicklungen wird Geothermie zunehmend als nachhaltige Alternative zu konventionellen Heizsystemen eingesetzt.

Wärmepumpen werden durch Strom betrieben und extrahieren Wärme aus drei verschiedenen Quellen: Luft, Wasser oder Boden. Während Boden- und Wasserwärme relativ konstant bleibt, unterliegt die Luftwärme saisonalen Schwankungen.

Die Effizienz von Wärmepumpen kann in kalten Perioden aufgrund niedrigerer Temperaturen abnehmen. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) stellt die Effizienz der Wärmepumpe über ein Jahr dar – eine hohe JAZ über 3 (optimal 3-5) zeigt eine gute Energieausnutzung. In anderen Worten werden bei einer JAZ von 3 bei einem Input von 1 kWh Strom 3 kWh Wärme erzeugt. Dadurch stellt die Wärmepumpe eine effektive Methode zur Wärmegewinnung dar.

Der Einsatz von Wärmepumpen erfordert jedoch eine kontinuierliche Stromversorgung, was in älteren Gebäuden zu einer energetischen Herausforderung werden kann. Diese Gebäude verfügen oft über eine schlechtere Wärmedämmung und höhere Wärmeverluste, was dazu führt, dass die Wärmepumpe länger und intensiver arbeiten muss, um eine ausreichende Heizleistung zu erzielen. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Vorlauftemperatur der Heizkörper, da ältere Gebäude oft höhere Temperaturen benötigen, um ausreichend wärme abzugeben. Diese höheren Temperaturen erfordern eine stärkere Leistungsaufnahme der Wärmepumpe, wodurch der Stromverbrauch und die Betriebskosten erheblich steigen können.

Biomasse & Abfälle

Zu den wichtigsten Arten von Biomasse gehören Holzpellets, die aus verarbeiteten Holzabfällen hergestellt werden, sowie Biogas, das durch die anaerobe Vergärung von organischen Materialien wie landwirtschaftlichen Reststoffen oder Klärschlamm entsteht. Holzpellets können nicht nur in zentralen Heizwerken, sondern auch in Pelletheizungen für Einfamilienhäuser genutzt werden. Diese Anlagen verbrennen die kompakten Holzpresslinge effizient und emissionsarm, um Wärme für Heizung und Warmwasser direkt im Haus bereitzustellen.

Die Verbrennung oder Vergärung biologischer Abfälle ermöglicht die Umwandlung in Wärme oder elektrische Energie, die dann wiederum über ein Wärmenetz verteilt werden kann. Jedoch stehen Biomasse-Anwendungen vor Herausforderungen, wie z.B. einem hohen Flächenbedarf sowie ökologischen Auswirkungen der Abholzung, insbesondere im Amazonasgebiet, wo natürliche Wälder zur Gewinnung von Biomasse geschädigt werden. Die Nachhaltigkeit der Biomassenutzung erfordert daher eine sorgfältige Auswahl der Rohstoffe und deren verantwortungsvolle Verwendung.

Neben organischen Reststoffen können auch nicht-biogene Abfälle wie Industrieabfälle, Gewerbeabfälle und Hausmüll energetisch genutzt werden. Diese Abfälle können durch Verfahren wie Verbrennung, Pyrolyse oder mechanisch-biologische Behandlung zur Energiegewinnung herangezogen werden. Diese Abfälle werden in speziellen Kraftwerken oder Anlagen genutzt, um Strom und Wärme zu erzeugen. Die energetische Verwertung ermöglicht eine ressourcenschonende Nutzung von Materialien und trägt zur Entlastung von Deponien bei. Jedoch steht die energetische Nutzung nicht-biogener Abfälle vor Herausforderungen wie der Entsorgung von problematischen Materialien, Luftreinhaltung oder Emissionskontrollen. Bei der energetischen Nutzung von Abfällen kommen häufig Müllheizkraftwerke sowie Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) zum Einsatz. Biogene Abfälle können zudem in Biogasanlagen mit Blockheizkraftwerken (BHKWs) verwertet werden.“

Abwärme, Solarthermie und Wasserstoff

Abwärme wird aus verschiedenen Quellen wie Industrieprozessen, Abwasser oder Klimaanlagen gewonnen. Diese Energie wird effizient für die Heizungs- oder Warmwasseraufbereitung genutzt und trägt zur Ressourcenschonung bei. Eine besonders effektive Möglichkeit, Abwärme zu nutzen, bieten Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK). KWK-Anlagen können unterschiedlich groß sein – von kleinen Anlagen in Gebäuden bis hin zu großen Kraftwerken, die ganze Stadtteile oder Industriebetriebe mit Energie versorgen. Die kleineren Anlagen werden Blockheizkraftwerke (BHKWs) genannt. Die Abwärme, die bei der Stromerzeugung entsteht, wird direkt für Heizzwecke oder die Warmwasserbereitung genutzt, was den Wirkungsgrad der Anlage erheblich steigert. Dadurch sind BHKWs besonders effizient und umweltfreundlich im Vergleich zu konventionellen Heizkraftwerken.

Die Bewertung von Abwärme unterscheidet sich in der Betrachtungsweise. In Deutschland wird Abwärme, die in Fernwärmenetze eingespeist wird, häufig mit einem PEF von 0 bewertet. Dies bedeutet, dass die eingespeiste Abwärme als klimaschonend betrachtet wird, da sie keinen zusätzlichen Primärenergieaufwand verursacht. Diese Bewertung kann jedoch den Eindruck erwecken, dass die Nutzung von Abwärme den gleichen Beitrag zur Reduktion des Primärenergieverbrauchs leistet wie die direkte Nutzung erneuerbarer Energien. In Wirklichkeit ersetzt die Abwärme jedoch keine fossilen Brennstoffe, sondern wird zusätzlich zu diesen genutzt, was den Übergang zu einer nachhaltigeren Energieversorgung erschwert.

Solarthermie bietet eine direkte Nutzung von Sonnenenergie für kleinere Systeme oder zur Warmwasseraufbereitung. Die Funktionsweise der Solarthermie basiert auf der Nutzung von Sonnenenergie. Ein Solarkollektor auf dem Dach, der einem PV-Modul ähnelt, jedoch nicht identisch ist, fängt die Sonnenstrahlen ein und wandelt diese in Wärmeenergie um.

Diese Wärme wird anschließend über ein Wärmetransportmedium (meistens eine Flüssigkeit wie Wasser oder eine spezielle Wärmeübertragungsflüssigkeit) an den Wärmespeicher geleitet, wo sie gespeichert und bei Bedarf abgerufen werden kann. Solarthermie wird vielseitig zur Nutzung erneuerbarer Wärme eingesetzt. Hauptsächlich findet sie Anwendung in der Warmwasserbereitung für Haushalte und gewerbliche Einrichtungen. Darüber kann Solarthermie auch die Raumheizung unterstützen, meist als Ergänzung zu bestehenden Heizsystemen. Besonders in städtischen und kommunalen Wärmenetzen leistet Solarthermie einen wertvollen Beitrag, indem sie regenerative Wärme für die Fernwärme bereitstellt. Wie PV-Anlagen ist diese Technologie besonders in Regionen mit ausreichender Sonneneinstrahlung effizient und nachhaltig einsetzbar.

Wie bereits im vorherigen Artikel erwähnt, wird Wasserstoff zunehmend als Ergänzung zur Energiewende diskutiert. Durch Elektrolyse, ein Verfahren bei dem Wasser mittels elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird, lässt sich überschüssiger Strom in Wasserstoff umwandeln, der anschließend gespeichert, transportiert und vielseitig eingesetzt werden kann. Entscheidend bei der Nachhaltigkeit der Wasserstoffproduktion ist jedoch die Herkunft des Stroms, der bei der Elektrolyse verwendet wird. Wasserstoff ist nur dann als „grün“ einzustufen, wenn der Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind- oder Solarenergie stammt.

Wasserstoff kann langfristig bestehende Infrastrukturen und Heizsysteme substituieren oder ersetzen, indem er als nachhaltige Energiequelle integriert wird. Diese Integration in bestehende Systeme erfordert jedoch technologische Anpassungen und Investitionen, um eine effiziente Nutzung zu gewährleisten. Da die Forschung zu Wasserstoff und seiner Anwendung in verschiedenen Sektoren noch am Anfang steht, ist ein nachhaltiger und weitreichender Einsatz derzeit ein fortlaufender Entwicklungsprozess.

Fazit

Möglichkeiten zum Einsatz erneuerbarer Energien gibt es reichlich. Jedoch lässt sich keine allgemeingültige Aussage treffen, welches Heizsystem am besten geeignet ist. In den meisten Fällen muss diese Frage individuell beantwortet werden. Flächendeckend dürfte der Einsatz von Fern- und Nahwärmenetze das größte Potential zur erfolgreichen Energiewende bieten. Hier können mit einer zentralen Anlage ganze Quartiere versorgt werden. Es bleibt abzuwarten inwieweit die Städte und Kommunen den Anforderungen zur Wärmeplanung nachkommen. Was jedoch bereits feststeht: Die Zeiten, in denen jedes Einfamilienhaus seinen Öl- oder Gaskessel im Keller hatte, sind vorbei.

Quellen