Definition des Technologiefeldes

Es gibt vielfältige Technologien zu Wärmetransport und -verteilung. Im Folgenden beschränkt sich die Beschreibung und Analyse auf Wärme- (und Kälte-) Netze, die sich nach Länge der Netze, Wärmeträgermedien (im wesentlichen Wasser), Temperaturniveaus und Betriebsweisen unterscheiden. In einem Wärmenetz wird ein Wärmeträgermedium (z. B. Wasser), das auf die gewünschte Temperatur erwärmt wurde, über ein Rohrleitungssystem mittels Pumpen verteilt. Beim Nutzer wird das Wärmeträgermedium entweder direkt in die lokalen Systeme geleitet oder die Wärme wird über einen Wärmeübertrager an das Objekt übergeben. Das abgekühlte oder erwärmte Wärmeträgermedium des Verteilnetzes wird dann zurück zum Wärmeerzeuger geleitet, um erneut aufgeheizt bzw. gekühlt zu werden. Wärme ist die Energieform mit den tendenziell größten Leitungsverlusten, jedoch steigt die wirtschaftliche Effizienz (bzw. sinken die Kosten) der Wärmebereitstellung mit größeren Erzeugereinheiten, z. B. im Bereich der solarthermischen Wärmeerzeugung. Zusätzlich können Wärmenetze die Effizienz von Industrieprozessen durch die Nutzbarmachung von Abwärme in benachbarten Quartieren erhöhen. Das wichtigste Einsatzfeld von Wärmenetzen ist Auskopplung von Wärme aus Kraftwerksprozessen sowie die Nutzung von Wärme aus Blockheizkraftwerken. Je nach Temperatur- und Druckniveau unterscheidet man zwischen Warmwasser- und Dampfnetzen. In der Wärmeversorgung werden die Vorlauftemperaturen bei Wassernetzen in Abhängigkeit der von der Außenlufttemperatur abhängigen Heizlast im Sommer abgesenkt. Der Transport von Kälte mittels Netzen erfolgt in der Regel innerhalb von Liegenschaften, bei denen eine zentrale Kälteerzeugung aufgrund der höheren Wirtschaftlichkeit größerer Kälteerzeuger sinnvoll ist. Kältenetze werden im Folgenden nicht weiter vertieft.

Aktueller Stand der Technologie

In 2016 betrug der Fernwärmeanteil am gesamten deutschen Endenergieverbrauch etwa 13,7 %. Die erzeugte Wärme stammt dabei zu 83 % aus Kraft-Wärme- Kopplungsanlagen, zu 15 % aus Heizwerken und zu 2% aus industrieller Abwärme. Rund 1.320 Heizwasser- und knapp 50 Dampfnetze versorgen rund 372.000 Hausübergabestationen. Der jährliche Zuwachs betrug in den letzten 8 Jahren rund 1,7 %. Die derzeitige Trassenlänge für die Fernwärmeversorgung beträgt 21.270 km (Zuwachs in den letzten 8 Jahren rund 1,9 %/Jahr). In 2016 wurde zu rund 40 % Erdgas als Brennstoff eingesetzt, gefolgt von Kohle mit rund 30 % und erneuerbaren Energien mit 20 %. Siedlungsabfälle hatten einen Anteil von rund 10 %. Im Neubau hatte die Fernwärme in 2014 einen Anteil von rund 24 % an den neu installierten Heizungssystemen; damit liegt sie zusammen mit den Wärmepumpensystemen auf Platz zwei, nach den mit Erdgas befeuerten Kesseln. Wärmenetze sind eine seit vielen Jahrzehnten bekannte Technologie, dementsprechend liegen die Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte auf der Anpassung der Wärmenetze an sich verändernde energiewirtschaftliche Randbedingungen. Forschungsaktivitäten der jüngeren Vergangenheit konzentrierten sich auf die Absenkung der Fernwärmetemperaturen, auf Maßnahmen zur Strukturoptimierung der Topologie sowie die verteilte Einspeisung in Fernwärme. Ein Schwerpunkt der F&E Vorhaben der letzten Jahre war die Entwicklung von Methoden zur Transformation von Wärmenetzen hin zu niedrigeren Systemtemperaturen (kalte Wärmenetze, „Low-Ex“-Konzepte). Der Schwerpunkt lag dabei auf der wissenschaftlichen Begleitung von Demonstrationsvorhaben. Die mit der dezentralen Einspeisung von Wärmeerzeugern in Bestandsnetze verbundenen hydraulischen Probleme waren ein weiterer Schwerpunkt der F&E-Aktivitäten. Die Optimierung des Betriebs von Wärmenetzen durch Speichermanagement und Flexibilisierung der Temperaturen und Volumenströme war Gegenstand meist theoretischer Studien. Der dritte Schwerpunkt von Forschung und Entwicklung im Themenfeld Wärmeverteilung und -transport waren Planungsinstrumente, insbesondere Instrumente zur schnellen Ermittlung von konkreten Potenzialen zum Ausbau von Wärmenetzen. Ein weiteres Thema war die Berücksichtigung von Wechselwirkungen, die sich aus der Kopplung von Strom und Wärme ergeben. Ein wenig differenziert lässt sich der aktuelle technologische Reifegrad der Technologien im Bereich Wärmetransport und -verteilung folgendermaßen bewerten:

• Bestandsnetze: TRL 9
• Niedertemperatur-Wärmenetze mit Einspeisung erneuerbarer Wärme: TRL 7 
• Lastmanagement und flexibler Betrieb: TRL 6 
• Planungsinstrumente für Wärmenetze und Hydraulik: TRL 6

Quellen