Kommunale Wärmeplanung – Energiewende durch Wärmewende

In einem ersten Schritt wurde der aktuelle Wärmebedarf und -verbrauch in Leinfelden-Echterdingen ermittelt sowie die resultierenden Treibhausgasemissionen berechnet

Durch die Datenerhebungsermächtigung im Klimaschutzgesetz wurden gebäudescharfe Daten von den Energieversorgern (Netze BW, Stadtwerke) und Bezirksschornsteinfegern bereitgestellt und ausgewertet sowie die Energieinfrastruktur analysiert. Im Anschluss wurde LE in 88 Cluster eingeteilt und die Gebäudedaten dadurch aggregiert und anonymisiert. Die Abgrenzung der Cluster erfolgte unter anderem anhand der Siedlungsstruktur, den Gebäudenutzungstypen, dem Baualter oder Art der Energieversorgung.

Die Auswertung ergab für das Basisjahr 2020 einen Wärmeenergiebedarf von rund 420 GWh. Dieser entfiel zu 57 Prozent auf Wohngebäude, respektive zu rund 90 Prozent auf die fossilen Energieträger Erdgas und Heizöl. Daraus resultierten Treibhausgasemissionen in Höhe von 103.000 Tonnen.

Im zweiten Schritt wurde eine Potentialanalyse durchgeführt. Diese beinhaltete zum einen die Ermittlung der Potenziale zur Energieeinsparung durch Gebäudesanierungen und Effizienzmaßnahmen und zum anderen die die Erhebung der lokal nutzbaren Potenziale klimaneutraler Energiequellen und Abwärme.

Basierend auf einer angenommenen Sanierungsrate von 2 Prozent pro Jahr und einem Sanierungsniveau, welches dem heutigen gesetzlichen Mindeststandard entspricht, können bis 2040 rund 35 Prozent des Wärmebedarfs eingespart werden. Eine weitere Reduktion um 7 Prozent kann durch die Verbesserung der Prozesseffizienzen im Bereich Gewerbe, Handel und Dienstleistungen (GHD) sowie Industrie erzielt werden. Damit ergibt sich für das Zieljahr ein um 44 % reduzierter Wärmebedarf.

Der verbleibende Wärmebedarf von 235 GWh ist durch emissionsfreie Wärmequellen zu decken. Die Analyse der lokal verfügbaren Wärmequellen ergab, dass die größten räumlich zugeordneten Potenziale im Bereich der Erdwärme (Geothermie), Abwasserwärme und Solarthermie liegen. Darüber hinaus sind für eine vollständige Bedarfsdeckung die Nutzung von im Wesentlichen räumlich unabhängigen Energieträgern wie Außenluftwärme, Biomasse und grüne Gase erforderlich.

Aufbauend auf den Ergebnissen der vorhergehenden Analysen wurde ein Zielszenario für das Jahr 2040 entwickelt, welches aufzeigt, wie die dekarbonisierte (treibhausgasneutrale) Wärmeversorgung in LE aussehen kann. In diesem Zielszenario sind zum einen Eignungsgebiete für Wärmenetze (rot dargestellt) und kalte Nahwärmenetze (blau dargestellt) enthalten und zum anderen auch Gebiete für eine gebäudeindividuelle Wärmeversorgung (grau dargestellt) – vor allem über Wärmepumpen – ausgewiesen.

Für jedes Cluster wurde zudem ein Steckbrief erstellt. Dieser enthält detaillierte Informationen zu den lokalen Wärmepotentialen sowie zu den möglichen Versorgungsoptionen. Bei der Nennung der Versorgungsoptionen ist zu berücksichtigen, dass für die Erreichung der Klimaneutralität im Bereich Wärme speziell bei der Empfehlung von dezentralen Wärmepumpen auch alternative Wärmequellen als nahezu gleichwertig einzustufen sind. So können bei einer Empfehlung für dezentrale Erdwärme-Wärmepumpen auch grundsätzlich Wärmepumpen mit z. B. Umweltwärmequelle Außenluft, Grundwasser oder Eisspeicher-Systemen zum Einsatz kommen.

Über diesen Link (Geoportal der Stadt Leinfelden-Echterdingen (geonline-gis.de)) gelangen Sie auf das Geoportal der Stadt Leinfelden-Echterdingen. Dort können Sie interaktiv durch die untenstehende Karte navigieren und bspw. den Steckbrief Ihres Clusters anschauen und herunterladen.

Um das Zielszenario und damit die klimaneutrale Wärmeversorgung in LE zu erreichen, hat die Stadtverwaltung fünf Maßnahmen benannt, mit deren Umsetzung innerhalb der nächsten fünf Jahre begonnen werden soll. Dies sind:

Abwärme bezeichnet Wärme, die beispielweise in Industrieprozessen als Nebenprodukt anfällt. Über Wärmetauscher kann diese in ein Wärmenetz eingespeist werden, um nahegelegene Siedlungen oder andere Abnehmer mit Wärme zu versorgen. Vorteil der Abwärme ist, dass diese meist gleichmäßig über das Jahr verteilt anfällt. Die Nutzung von Abwärme wird als regenerative Energiequelle anerkannt, auch wenn im Rahmen ihrer Entstehung fossile Energien zum Einsatz kamen.

Als Biomasse werden alle organischen Stoffe pflanzlichen oder tierischen Ursprungs bezeichnet, die als Energieträger genutzt werden können. Hierzu zählen Holz, landwirtschaftliche Nutzpflanzen wie Mais und Zuckerrüben, Garten- und Grünabfälle oder Gülle. Zur Wärmeerzeugung wird Biomasse entweder getrocknet und direkt verbrannt oder zunächst in einer Biogasanlage zu Biogas vergärt und dann verbrannt. 

Die Biomasse gilt als erneuerbare Energiequelle, da diese im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen aktiv im Kohlenstoffkreislauf eingebunden ist. Denn das bei der Verbrennung oder Verrottung freigesetzte Kohlendioxid wurde während der Wachstumsphase der Atmosphäre entnommen. Ein Vorteil der Biomasse ist, dass sich diese lagern lässt und so zu Zeiten Energie bereitstellen kann, in denen andere erneuerbare Energien nicht zur Verfügung stehen. Nachteil ist, dass die Menge an Biomasse, die ökologisch nachhaltig gewonnen werden kann, stark begrenzt ist.

Bei Erdgas handelt es sich im Gegensatz zu Biogas um einen fossilen Energieträger. Erdgas ist durch den Abbau von Biomasse (überwiegend Algen) über Jahrmillionen entstanden. Über diesen Zeitraum wurden auch große Mengen an Kohlendioxid im Untergrund eingespeichert. Dieses wird jedoch seit der industriellen Revolution und damit in einer erdgeschichtlich betrachtet ungemein raschen Zeit im Zuge der Erdgasförderung und -verbrennung wieder in die Atmosphäre freigesetzt, wo es sich anreichert und dort den Treibhauseffekt verstärkt.

Schlimmer noch: Der Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan, das auf 20 Jahre gerechnet 84-mal so klimaschädlich ist wie Kohlendioxid. Erdgas wird daher allenfalls noch als Übergangslösung betrachtet (z. B. Spitzenlastdeckung). In absehbarer Zeit soll es bspw. durch Biogas oder Wasserstoff ersetzt werden.

Ziel einer energetischen Gebäudesanierung ist die Minimierung des Energieverbrauchs für Heizung, Warmwasser und Lüftung. Im Vordergrund steht die Verringerung der Wärmeverluste über das Dach, die Außenwände, Fenster, Türen und den Boden. Eine energetische Gebäudesanierung hilft einerseits dabei, den Energiebedarf insgesamt zu reduzieren und anderseits das Temperaturniveau der Heizung zu senken.

Das Haupthindernis für eine Gebäudesanierung stellen die immensen Kosten dar. Gleichzeitig fehlen qualifizierte Betriebe und das entsprechende Fachpersonal, um die Arbeiten in der erforderlichen bautechnischen Qualität umsetzen zu können. Gleichwohl ist die energetische Sanierung von Gebäuden ein zentraler Schlüssel zum Gelingen der Wärmewende.

Geothermie

Die oberflächennahe Geothermie nutzt den Untergrund bis zu einer Tiefe von etwa 400 Metern und Temperaturen von bis zu 25 °C für das Beheizen und Kühlen von Gebäuden.

Zur Gewinnung der Erdwärme werden am häufigsten Erdwärmesonden eingesetzt. Diese werden als Rohrsystem in ein vertikal oder schräg verlaufendes Bohrloch eingebracht, welches meist zwischen 50 und 150 Meter tief ist. Die Rohre sind mit einer Wärmeträgerflüssigkeit – in der Regel Wasser mit einem speziellen Frostschutzmittel – gefüllt, welche die Wärme aus dem Erdreich aufnimmt und an die Oberfläche zur Wärmepumpe transportiert.

Eine weitere weit verbreitete Variante ist der Einsatz von Erdwärmekollektoren. Diese werden horizontal in etwa 1 bis 1,5 Metern Tiefe als Rohre in Schlangenlinien verlegt, durch die ebenfalls eine Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert. In dieser Tiefe verlegt haben jahreszeitlichen Temperaturschwankungen zwar Auswirkungen auf die Untergrundtemperaturen und damit auf die nutzbaren Temperaturen im Winter, doch diese reichen dennoch für einen effizienten Wärmepumpenbetrieb aus. Etwas tiefer verlegt, können Erdwärmekollektoren sogar auf Ackerflächen eingesetzt werden und dadurch eine Doppelnutzung generieren.

Neben der oberflächennahen Geothermie gibt es noch die Tiefengeothermie. Diese nutzt Erdwärme aus Tiefen zwischen 400 bis hin zu 5.000 Metern. Dadurch kann Wasser auf Temperaturen von mehr als 90 °C erwärmt werden und – anders als bei der oberflächennahen Geothermie – ohne Einsatz einer Wärmepumpe zu Heizzwecken genutzt werden. Jedoch ist das Wissen um die Beschaffenheit der Untergründe, in die gebohrt wird, in der Regel gering, sodass immer ein Fündigkeitsrisiko besteht. Das bedeutet, dass z. B. zu geringe Temperaturen angetroffen werden. Aus diesem Grund wurde die Tiefengeothermie in der Kommunalen Wärmeplanung Leinfelden-Echterdingens nicht berücksichtigt.

Grüne Gase

Als grüne Gase werden all jene gasförmigen Energieträger bezeichnet, bei deren Verbrennung nicht mehr Treibhausgase freigesetzt werden, als zuvor der Atmosphäre entnommen wurden. Sie sind daher nahezu klimaneutral. Zu den grünen Gasen zählen unter anderem Biogas oder grüner Wasserstoff (hergestellt aus überschüssigem Öko-Strom (Power-to-Gas)).

Kraft-Wärme-Kopplung

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist die gleichzeitige Umwandlung von Energie in mechanische oder elektrische Energie und nutzbare Wärme. Zur Strom- sowie Wärmeerzeugung wird ein Brennstoff wie Kohle, Erdgas oder auch umweltfreundliche Biomasse meist in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) verbrannt. Die dabei entstehende Wärme treibt eine Turbine an und erzeugt so Strom. Die Abwärme lässt sich in ein Wärmenetz einspeisen.

Aufgrund der gleichzeitigen Strom- und Wärmeerzeugung besitzen Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen einen hohen Brennstoffnutzungsgrad. Trotz des hohen Nutzungsgrades werden die meisten Blockheizkraftwerke eben mit fossilen Energieträgern – meist Erdgas – betrieben. Hier muss also langfristig eine Alternative her. Diese liegt bspw. in der Nutzung von grünen Gasen (Biogas, Biomethan), Wasserstoff oder Holz, entweder in Form von Scheiten, Hackschnitzeln oder aber Pellets.

Niedertemperatur

In einem herkömmlichen Heizsystem liegt die Vorlauftemperatur in der Regel zwischen 75 °C und 85 °C. In einem Niedertemperatur-Heizsystem – bspw. mit einem Brennwertkessel – sinkt dieser Wert jedoch auf 45 °C bis 55 °C und bei Wärmepumpen sogar auf 35 °C bis 45 °C. Hauptvorteil eines Niedertemperatur-Heizsystems ist der wesentlich geringere Energieverbrauch (etwa -30 Prozent). Eine Voraussetzung ist jedoch eine energetische Gebäudesanierung bzw. eine gut gedämmte Gebäudehülle. Nur dann ist es möglich, die Systemeffizienz des Heizsystems zu verbessern.

Der Begriff Niedertemperatur wird auch im Zusammenhang mit Wärmenetzen verwendet und beschreibt den Betrieb mit einer wesentlich geringeren Vorlauftemperatur im Netz. Ein solches Wärmenetz wird auch als kaltes Wärmenetz bezeichnet.

Power-to-Gas

Das technische Verfahren Power-to-Gas besteht im Wesentlichen darin, dass in Elektrolyseuren Wasser durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Durch die Nutzung von Strom aus erneuerbaren Quellen (Wasser-, Wind- oder Sonne) ist die Erzeugung von grünem Wasserstoff klimaneutral.

Weiterer Vorteil ist, dass er sich weltweit in großen Mengen erzeugen, lagern, transportieren und bedarfsgerecht in das bestehende Erdgasnetz einspeisen lässt. Nachteil ist, dass die Herstellung aktuell noch sehr kostenintensiv ist. Durch eine Bedarfssteigerung und den Ausbau leistungsstarker Elektrolyseure in Verbindung mit erneuerbarem Strom werden die Entstehungskosten jedoch mittelfristig sinken.

Power-to-Heat

Power-to-Heat bezeichnet die Erzeugung von Wärme durch elektrische Energie. Als Technologie ist sie eine der vielversprechendsten Möglichkeiten im Kampf gegen den Klimawandel und kann massiv zur Reduktion von Treibhausgasemissionen beitragen – besonders dann, wenn Power-to-Heat-Anlagen überschüssigen Strom nutzen, der aus erneuerbaren Energiequellen stammt.

Ein Beispiel der Power-to-Heat-Technologie stellt die Wärmepumpe dar. Diese nutzt den Strom zum Eigenantrieb, um Wärmeenergie aus der Umwelt zu entziehen und diese auf ein höheres Temperaturniveau anzuheben, sodass es für Heizung und Warmwasserbereitung verwendet werden kann.

Sektorkopplung

Nicht nur im Wärmebereich, sondern auch in den Sektoren Strom und Verkehr müssen fossile Energieträger nach und nach durch erneuerbare Energien ersetzt werden. Dabei kann die sogenannte Sektorkopplung helfen. Der Strom-Sektor bildet hierbei den Ausgangspunkt für die Sektorkopplung. Entscheidend ist hier die Nutzung von erneuerbarem Strom, der nicht nur direkt genutzt werden kann (bspw. Beleuchtung), sondern umgewandelt auch in anderen Bereichen eingesetzt werden kann.

Im Bereich Wärme sind dies Power-to-Heat-Technologien. Als konkretes Beispiel für eine elektrische Wärmelösung dient die Wärmepumpe. Im Sektor Verkehr stellt die Bemühung um die Elektromobilität ein konkretes Beispiel für die Sektorkopplung dar. Thema ist zudem mittels grünen Stroms produzierter Wasserstoff, der wiederum auch im Wärmebereich insbesondere aber für alternativen Antrieb Anwendung finden kann.

Solarthermie

Die Solarthermie fußt auf dem einfachen Funktionsprinzip, dass dunkle Oberflächen sich aufheizen, wenn Sonnenlicht darauf fällt. Ein Solarkollektor absorbiert die Sonnenenergie gezielt. Die aufgenommene Wärme wird dann auf ein Wärmeträgermedium (zumeist Luft oder Wasser) übertragen und über ein Leitungsnetz im Gebäude zur Beheizung der Räume verteilt oder zur Warmwasserbereitung verwendet. Man sprich in diesem Fall von einer gebäudeintegrierten Solarthermie-Anlage.

Die Solarthermie kann jedoch auch dezentral in Form einer Freiflächen-Solarthermie-Anlage zum Einsatz kommen. Das Funktionsprinzip ist dasselbe, nur dass zum einen eine wesentlich höhere Anzahl an Sonnenkollektoren in der Fläche installiert wird und zum anderen das erwärmte Wasser zunächst in ein Wärmenetz eingespeist wird, ehe es dann in den einzelnen Gebäuden zum Heizen oder zur Warmwasserbereitung verwendet wird.

Probleme ergeben sich bei beiden Anwendungsvarianten in der Frage nach der saisonalen Speicherung der gewonnenen Wärmeenergie. Dies ist in Bestandsgebäuden fast nicht möglich. Da Wärmetransport zudem immer mit Verlusten verbunden ist, sollten Solarthermie-Freiflächenanlagen immer in der Nähe von Siedlungen errichtet werden, was zu einer Flächenkonkurrenz führt.

Wasserstoff

Wasserstoff ist ein universeller Energieträger, der sowohl stofflich in der chemischen Industrie als auch energetisch genutzt werden kann. Er kann sowohl in speziellen Netzen transportiert als auch dem Erdgasnetz bis zu einem bestimmten Prozentsatz zugemischt werden. Wasserstoff kann auf verschiedene Weisen hergestellt werden. Klimaneutral ist jedoch lediglich die Herstellung aus Wasser mittels Elektrolyse unter Einsatz von erneuerbaren Strom.

Man spricht dann vom grünen Wasserstoff. Ob Wasserstoff im Rahmen der Wärmewende eine Rolle spielen wird, ist jedoch fraglich. Vorliegende Studien schließen dies weitestgehend aus. Sein Einsatzbereich wird vor allem in der Industrie liegen, in welcher sich viele Prozesse – wie etwa die Stahlerzeugung oder die Ammoniakproduktion – nicht elektrifizieren lassen und bislang einen hohen Einsatz fossiler Energien aufweisen.

Wärmenetz

Wenn von Wärmenetzen gesprochen wird, fallen meist die Begriffe Nah- oder Fernwärmenetz. Bisher gibt es jedoch keine gesetzliche Definition für den Unterschied zwischen Nah- und Fernwärmenetz. Von Nahwärmenetzen spricht man aber tendenziell bei kleineren Wärmenetzen, während Fernwärmenetze etwas größer sind, also mehr Haushalte mit Wärme versorgen. Beide Varianten funktionieren jedoch nach demselben Prinzip: Eine zentrale Heizanlage erzeugt Wärme, die über gedämmte Erdleitungen zu den angeschlossenen Gebäuden geleitet wird. Das Transportmedium ist meist heißes Wasser.

Nah- bzw. Fernwärme stellt eine besonders effiziente Art der Wärmeversorgung dar. Denn Gebäude, die auf diese Weise versorgt werden, brauchen keine eigenen Heizungsanlagen. Sie besitzen lediglich eine Übergabestation, an der ein Wärmetauscher die Wärme in das Heizsystem des Gebäudes überträgt.

Wie die Wärme produziert wird, ist sehr unterschiedlich: Alte Wärmenetze werden meist mit fossilen Brennstoffen betrieben. Neue und zukünftige Wärmenetze müssen treibhausgasneutral betrieben werden, bspw. mit Biogas oder Geothermie.

Neben klassischen Wärmenetzen finden in den letzten Jahren auch mehr und mehr kalte Wärmenetze Anwendung. Das Funktionsprinzip eines solchen Wärmenetzes ist im Wesentlichen dasselbe, erzeugt wird die Wärme allerdings mittels oberflächennaher Geothermie, die ganzjährig konstant zwischen 10 und 12 °C liefert. Auch Abwasserwärme kann als Energiequelle für ein kaltes Wärmenetz genutzt werden. Statt Wärmetauschern sind bei einem kalten Wärmenetz Wärmepumpen in den angeschlossenen Gebäuden im Einsatz, mit welchen ein zur Raumheizung oder Trinkwassererwärmung nutzbares Temperaturniveau erzeugt wird.

Wärmepumpe

Die Wärmepumpe als Heizung nutzt die Umwelt als erneuerbare Energiequelle. Der Einbau von Wärmepumpen ist im Neubau inzwischen Standard und auch für sehr viele Bestandsgebäude eine zukunftsfähige Lösung. Wärmepumpen ziehen Energie entweder aus der Umgebungsluft (Luftwärmepumpe), dem Erdreich (Erd- bzw. Solewärmepumpe) oder dem Grundwasser (Wasserwärmepumpe) und machen die gewonnene Umweltwärme nutzbar für Heizung und Warmwasser.

Die Funktionsweise einer Wärmepumpe lässt sich mit jener eines Kühlschranks vergleichen – nur mit dem Unterschied, dass nicht Kälte, sondern Wärme erzeugt wird. Ein Rohrsystem, in welchem meist Wasser mit Frostschutzmittel versetzt zirkuliert, nimmt Wärme aus dem Erdreich oder Grundwasser auf und leitet diese an einen verbauten Wärmeübertrager (Verdampfer) weiter. In diesem zirkuliert ein Kältemittel, welches die Wärme aufnimmt und dadurch verdampft. Bei der Luftwärmepumpe ist es direkt die angesaugte Außenluft, welche das Kältemittel zum Verdampfen bringt. In einem strombetriebenen Kompressor, dem sogenannten Verdichter, wird das Kältemitte anschließend wieder komprimiert und verflüssigt, wodurch die Temperatur steigt. Im nächsten Schritt überträgt das komprimierte, erhitzte Kältemittel seine Wärme auf den Heizungskreislauf.

Nicht nur für Ein- und Mehrfamilienhausbesitzer sind Wärmepumpen interessant. Auch Gewerbe und Kommunen setzen auf diese effiziente und saubere Technik. Hier kommen Großwärmepumpen mit Leistungen größer 50 Kilowatt (kW) zum Einsatz.

Wärmespeicher

Wärmespeicher dienen der kurzzeitigen oder saisonalen Speicherung von überschüssiger Wärme, um eine Ungleichzeitigkeit von Angebot und Nachfrage auszugleichen. Sie stellen damit ein zentrales Element der Wärmewende dar. Wärmespeicher gibt es in vielen Anwendungsformen. Eine Möglichkeit der Unterscheidung stellt die Zeitdauer dar, über welche die erzeugte Wärmeenergie gespeichert werden soll:

Für eine stunden- oder tageweise Speicherung von Heizungswasser bei Wärmepumpen, Solarthermie-Anlage, Blockheizkraftwerken (BHWK) oder auch Gas- und Holzheizkesseln kommen meist Pufferspeicher zum Einsatz. Gespeichert wird die Wärme in Form großer Wassertanks mit unterschiedlichem Fassungsvermögen, welche wie eine Thermoskanne funktionieren. Durch den Einsatz eines Pufferspeichers kann bspw. die Einschalthäufigkeit des Wärmeerzeugers vermindert werden, was Energie spart und gleichzeitig den Wirkungsgrad erhöht.

Kurzzeitspeicher mit einer Speicherdauer von bis zu zwei Tagen finden hauptsächlich bei Solar- oder Brauchwasserspeichern Einsatz, um Wärmeangebot und -nachfrage auszugleichen. Die Wärme muss nicht gleichzeitig erzeugt und wieder verbraucht werden.

Dann gibt es noch Langzeitspeicher, auch Saisonalspeicher genannt. Diese können Wärme über Wochen oder Monate speichern und eignen sich, um den Übergang von der warmen zur kalten Jahreszeit zu überbrücken. Überschüssige Energie, die während der Sommermonate bspw. mittels Solar- oder Geothermie erzeugt worden ist, kann im Erdreich oder im dort zirkulierenden Grundwasser eingelagert werden. Das Ungleichgewicht zwischen Wärmeangebot und -bedarf wird so minimiert.