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22.01.2018 | Energie | Interview | Onlineartikel

"Großskalige saisonale Wärmespeicher werden benötigt"

Autor:
Nico Andritschke

Bei der Energiewende-Debatte spielen die für den Wärmesektor benötigten Energiemengen kaum eine Rolle. Weitere Wärmequellen in großem Umfang zu erschließen, fordern die Professoren Bauer und Dahmke.

Springer Professional: Welche Relevanz haben der Wärme- und Mobilitätsektor und über welche Dimension sprechen wir da?

Andreas Dahmke: Etwa je ein Viertel des Endenergieverbrauchs in Deutschland resultiert derzeit aus der Nutzung als elektrische Energie beziehungsweise für Mobilität, hingegen etwa die Hälfte für die Bereitstellung von Wärme. Im Rahmen der Energiewende sollen bis 2050 insgesamt mehr als 60 Prozent aus erneuerbaren Energien gedeckt werden. Dies erfordert, dass für den Wärmemarkt in sehr großem Umfang zusätzliche Wärmequellen, wie zum Beispiel Solarthermie oder industrielle Prozess- und Abwärme, erschlossen werden müssen, um fossile Energieträger wie Kohle zu ersetzen. Letztere decken derzeit mehr als 85 Prozent des Wärmeverbrauchs ab. Aus Effizienzgründen ist davon auszugehen, dass zukünftig eine stärkere Elektrifizierung des Wärme- und Mobilitätssektors stattfinden wird. Das führt zu einem weiteren Ausbau von Windkraft und Photovoltaik, mit allen bekannten Auswirkungen auf gesellschaftliche Akzeptanz und den Nutzungsdruck auf Landschaften. In der (notwendigen) Perspektive einer globalen Energiesystemtransformation muss bei der "Wärme"-versorgung noch stärker als bei einer nationalen Betrachtung auch der niedrigere Temperaturbereich zur Kühlung berücksichtigt werden.

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Vergleich der Speichersysteme

Energiespeicher können vielfältig klassifiziert werden. Sie existieren in einer Vielzahl verschiedener Technologien in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten und Entwicklungsstadien. Dieses Kapitel stellt die verschiedenen Möglichkeiten zur Energiespeicherung gegenüber.


Findet der erforderliche Kohleausstieg statt, müssten neue Quellen für die Wärmeversorgung erschlossen werden. Welche kommen in Betracht und wie weit sind diese bereits erforscht?

Sebastian Bauer: In vielen Konzepten zur regenerativen Wärmeversorgung von Ballungszentren werden Bio-Brennstoffen, wie Holz und Stroh, derzeit eine große Rolle zugeschrieben. In Anbetracht der benötigten Mengen und des heute bereits sehr hohen Nutzungsdruckes auf Ökosysteme stellt sich dabei zunehmend die Frage nach der Nachhaltigkeit. Als weitere Wärmequelle kommen die Solarthermie, die direkt die Sonneneinstrahlung in Wärme verwandelt, sowie industrielle Abwärme oder Prozesswärme und Wärme aus der Gebäudeklimatisierung in Frage. Bei der Wärmeversorgung über die Abwärme industrieller Prozesse muss eingeschränkt werden, dass diese nicht "regenerativ" im eigentlichen Sinne ist und deren Rolle mittelfristig im Rahmen der zunehmenden Dekarbonisierung auch von industriellen Prozessen sich verändern wird. Über das Power-to-Heat Konzept können  fluktuierende "überschüssige"  Strommengen, die aus Wind- oder Solarenergie gewonnen werden, in Wärme umgewandelt werden. Auch die Nutzung der Geothermie bietet zumindest an vielen Lokationen in Deutschland ein hohes Wärmeversorgungspotenzial. 
Allerdings ist der Wärmebedarf zum Heizen und Kühlen stark saisonal. Daher werden großskalige saisonale Wärmespeicher zur Zwischenspeicherung der Wärme benötigt. Der Einsatz dieser direkten Wärmequellen, wie zum Beispiel Solarthermie, Geothermie oder Abwärme, wird in Kombination mit Wärmespeichern in Einzelfällen bereits umgesetzt und erprobt. Übergreifende Quartierslösungen oder noch größere Einheiten sind bis auf wenige Ausnahmen, unter anderem in München und Dänemark, bisher kaum realisiert. 

Kann der Wärmebedarf aus diesen neuen Quellen gedeckt werden und innerhalb welcher Zeiträume wird das möglich sein?

Andreas Dahmke: Informationen zur Beantwortung dieser Frage stehen derzeit nur bedingt zur Verfügung. Der derzeitige Wärmebedarf ist in hinreichend zeitlicher und räumlicher Auflösung öffentlich nicht verfügbar. Vor dem Hintergrund eines sich verändernden Wohnungsbestandes, sich verändernder Energiekosten sowie des Klimawandels existieren auch keine belastbaren Prognosen zum Wärmebedarf (Heizen und Kühlen). Ebenso wäre eine deutschlandweite Potenzialanalyse der installierbaren Leistungen und Kapazitäten für die genannten alternativen Wärmequellen notwendig. Als gesichert kann jedoch angenommen werden, dass saisonale Wärmespeicher dazu beitragen können, regenerative und alternative Wärmequellen an die Nachfrage anzupassen und so die benötigte installierte Kapazität zu reduzieren. Das ANGUS Projekt untersucht hierzu den Beitrag unterirdischer Wärmespeicher, da diese die notwendigen großen Wärmekapazitäten bereitstellen können. Besonderes Augenmerk liegt auf der Dimensionierung der Speicher und ihre Einbindung in die Wärmenetze, für die jeweils die benötigten Methoden entwickelt und angewendet werden. Die zeitliche Umsetzung regenerativer Wärmeversorgungsansätze wird durch verschiedene Faktoren bestimmt werden. Bezüglich unterirdischer saisonaler Wärmespeicher besteht noch ein beträchtlicher Bedarf an Demonstratoren unter verschiedenen geologischen und Bedarfsrandbedingungen, um Erfahrungen und Lösungen hinsichtlich der betrieblichen Herausforderungen zu gewinnen und zu entwickeln. Parallel dazu sind zumindest in Ballungszentren und Städten übergreifende regenerative Wärmeversorgungs- und Wärmemanagementkonzepte für den geologischen Untergrund zu entwickeln sowie die gesetzgeberischen und wirtschaftlichen Randbedingungen zu schaffen. Diese Punkte könnten in den nächsten fünf biszehn Jahren abgearbeitet werden, um dann die Umsetzung bis 2050 flächendeckend zu realisieren. Der Zeitraum harmonisiert auch einigermaßen mit dem Ende der Laufzeit herkömmlicher Wärmeversorgungsansätze. Da ein Großteil der Technologiekomponenten für eine regenerative Wärmeversorgung bereits heute existiert, erscheint der Umsetzungszeitraum zwar ambitioniert, aber machbar. Die für die Transformation benötigten Fachkräfte müssen in ausreichender Zahl ausgebildet werden und zur Verfügung stehen.

Wie können zukünftige Wärmekonzepte für Städte gestaltet sein und welcher Voraussetzungen bedarf es für Ihre Umsetzung?

Sebastian Bauer: Wärmekonzepte für Städte in der Zukunft werden Wärme aus der Gebäudeklimatisierung, die im Rahmen des anstehenden Klimawandels zunehmen wird, sowie Prozesswärme und Abwärme in unterirdischen saisonalen Wärmespeichern einbringen, um den Wärmebedarf unterstützt von Wärmpumpen im Winter decken zu können. Entsprechendes gilt für den Kühlbedarf. Mittelfristig kann es zudem notwendig werden, das Stadtklima als auch die Untergrundtemperaturen durch aktive saisonale Wärmespeichermaßnahmen in gewünschte Bereiche zu steuern, da der Klimawandel in den meisten Städten zu einer wesentlich größeren Erwärmung führen wird als im Umland. Als saisonale unterirdische Speichertechniken stehen dabei sowohl offene Aquifer-Wärmespeicher als auch Erdwärmesondenspeicher zur Verfügung. Voraussetzung dafür ist allerdings ein Wärmemanagement im städtischen Untergrund.

Für den Einsatz saisonaler Wärmespeicher werden Änderungen in der Gesetzgebung, beispielsweise im Wasserecht und in den untergesetzlichen Regelwerken notwendig. Ebenso müssen Perspektiven für die Wirtschaftlichkeit derartiger regenerativer Wärmeversorgungssysteme einschließlich saisonaler Wärmespeichersysteme geschaffen werden, da der derzeit sehr niedrige Gaspreis fast jegliche großskalige Umsetzung regenerativer Wärmeversorgungssysteme (insbesondere zum Heizen) verhindert. Analog zu dem Aufbau von Windkraft- oder PV-Anlagen könnten Anreize entweder über Subventionen oder eine Besteuerung fossiler Brennstoffe entwickelt werden.  

Gibt es schon nachahmenswerte Beispiele oder modellhafte Ansätze?

Sebastian Bauer: Bezüglich der übergeordneten regenerativen Wärmeversorgung kann das bayerische Molassegebiet, unter anderem München, aufgrund der besonders günstigen geothermischen Randbedingungen als beispielgebend angesehen werden. Allerdings sind in weiten Teilen Deutschlands die geologischen Voraussetzungen deutlich ungünstiger. Zur Nutzung von saisonalen Wärmespeichern existieren bisher nur Demonstrationsanlagen, wie die unterirdischen Wärmespeicher in Rostock, Neckarsulm oder am Reichstag in Berlin. Ein Konzept zur Eingliederung eines Wärmespeichers in die Fernwärme wird derzeit in Hamburg erarbeitet. Es besteht ein großer Bedarf an Konzepten zur Einbindung der Speicher in die Wärmeversorgung sowie an weiteren Demonstrationsanlagen. 

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