Bündnis 90/Die Grünen OV Planegg/Martinsried

Emissionsfreie Wärmeenergie ist in der Umwelt im Überfluss vorhanden. Neben der immer (auch bei tiefen Temperaturen) und überall nutzbaren Umweltwärme kann erneuerbare Wärme auch mit Solarkollektoren (mit Pufferspeicher), durch Verbrennung von Biomasse oder durch Tiefengeothermie (regional begrenzt) gewonnen werden. Hauptnutzungsbereich für Wärme ist mit etwa 80% Anteil der Gebäudesektor.

Zur Umstellung der Wärmeerzeugung auf erneuerbare Energien gibt es umfassendes Material an Studien (1-5). Das Fraunhofer ISE hat sich detailliert mit 8 Zukunftsszenarien bis 2050 befasst (4,5) und auch Unterschiede in der gesellschaftlichen Haltung zu verschiedenen Maßnahmen berücksichtigt, die in einer Demokratie naturgemäß eine wesentliche Rolle spielt. In allen Fällen wird von einer 95-100%igen Reduktion der CO₂-Emissionen bis 2050 ausgegangen, die Wege dahin sind aber unterschiedlich (4,5).

Im Szenario Beharrung wird angenommen, dass eine stark begrenzte Bereitschaft zum Umstieg auf neue Technologien besteht.

Im Szenario Inakzeptanz besteht mangelnde Akzeptanz in der Bevölkerung für den weiteren Ausbau großer Infrastrukturen.

In Szenario Beharrung bleibt der Gasheizungsanteil mit 47 % Energieanteil bis 2050 nahezu konstant. Allerdings sinkt darin der Anteil an Erdgas je nach Szenario von 2020 bis 2050 stark auf 16-35% und es kommt entsprechend verstärkt Biomasse und Power-to- Gas, also z.B. Wasserstoff, zum Einsatz. In den anderen Szenarien spielt das Gasnetz 2050 mit 4-7% Anteil nur eine geringe Rolle. Der Anteil der Wärmepumpe steigt in diesem Szenario von derzeit 4% auf 18%, die Wasserstoff-Brennstoffzelle von derzeit Null auf 13% und die Wärmepumpe nimmt kaum zu (14% auf 17%) (11). In allen anderen Szenarien spielt die Elektrische Wärmepumpe mit 50 – 60 % Anteil die Hauptrolle, gefolgt von Wärmenetzen (20-36 %) und Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie (3-15 %).

Alle oben genannten Studien (1-5) sehen die Wärmepumpe als bedeutendste Technologie der Wärmewende.

Das Bayrische Staatsministerium für Wirtschaft (6) strebt die Erreichung des Zwischenziels 2030 im Gebäudesektor vor allem durch Wärmedämmung, Verbesserung der Gebäudetechnik und Wärmepumpen an.

Bei einem Anteil der Wärmeerzeugung an den CO₂-Emissionen von 38% (7) bedeuten die Szenarien des Fraunhofer ISE, dass bis zu mehr als 80% der CO₂-Emissionen aller Sektoren zusammengenommen durch den Einsatz von grünen Strom vermieden werden könnten.

1. Elektrische Wärmepumpe

Umweltwärme steht wie andere erneuerbare Energien im Überfluss zur Verfügung. Nur 0,1% davon könnten rechnerisch den gesamten Energiebedarf der Menschheit decken. Selbst bei tiefen Temperaturen enthält die Umwelt noch genug Wärme, die entnommen und durch eine Wärmepumpe ins Haus transportiert werden kann.

Die Umweltwärme kann der Luft, der Erde, oder dem Grundwasser entnommen werden. Auch Abwasser und Abwärme von Gebäuden können als Energiequelle dienen. Für die Energiewende kommt nur die elektrische Wärmepumpe infrage, die idealerweise zu 100% mit grünem Strom betrieben werden sollte. In den Zukunftszenarien des Fraunhofer ISE spielt unter den Wärmepumpentechniken die Luftwärmepumpe (Abbildung oben) die klar dominierende Rolle.

Das Funktionsprinzip: Umweltwärme wird in einen Kreisprozess eingebracht, der im Prinzip die Umkehrung
des Kühlschrankprinzips darstellt, bei allerdings wesentlich höherer Leistung. Anstatt den Innenraum zu
kühlen und die Umgebung zu erwärmen, wird bei der Wärmepumpe der Innenraum (Haus) erwärmt und die Umgebung (Außenbereich) abgekühlt, was auf diese keinen spürbaren Einfluss hat, weil der der Umwelt entnommene Wärmeanteil, siehe oben, verschwindend gering ist.

Mit einem Energieaufwand (Gas oder Elektrizität) von 1/6 bis 1/3 der transportierten Wärmeenergie wird die Temperatur des zirkulierenden Kältemittels durch die als Kompressor arbeitende Pumpe stark angehoben und die Wärme in den Heizkreislauf eingespeist. Je größer die Temperaturdifferenz zwischen externer Wärmequelle und Heizungsvorlauf, desto größer die von der Pumpe aufzubringende Energie.

Funktionsweise der Wärmepumpe. Ein Kältemittel, z.B. Propan, wird flüssig durch einen Wärmetauscher gepumpt. In einem elektrisch betriebenen Kompressor wird das erwärmte Gas stark komprimiert und erwärmt sich dadurch. Nach Abgabe der Wärme an einen zweiten Wärmetauscher wird das abgekühlte, nun flüssige Kältemittel durch ein Expansiosventil gepumpt, wodurch es sich ausdehnt, sich dabei auf eine Temperatur von etwa -20°C weiter abkühlt und in diesem Zustand wieder Umweltwärme aufnehmen kann.

Die Wärmepumpe ist in der Energiebilanz die effizienteste aller Technologien der Energiewende, weil sie pro kWh elektrischen Energieaufwandes je nach Typ und Randbedingungen etwa 3-6 kWh an Wärmeenergie in Gebäuden nutzbar macht. Somit hat sie auch das höchste CO₂-Einsparpotential aller Erneuerbare Energie -Technologien.

Lange Zeit war der Einsatz von Wärmepumpen de facto auf gut isolierte Gebäude mit geringem Wärmeverbrauch beschränkt, weil bei kalten Außentemperaturen nur eine Vorlauftemperatur von maximal etwa 50°C erreicht wurde. So galten Wärmepumpen lange nur als Heizquelle der Wahl für Flächenheizungen, Fußbodenheizung und für gut isolierte Gebäude mit wenig Heizbedarf.

Das Fraunhofer ISE betont aber in einer detaillierten Studie (8), dass die Wärmepumpentechnologie mittlerweise umfassende Lösungen auch für unsanierte Gebäude bietet. Mit modernen Zweikreispumpen oder hybriden Systemen können Vorlauftemperaturen von mehr als 100°C erzielt werden. Im Bereich der dezentralen Gebäudeversorgung sind mit modernen Luft- und Erdwärmepumpen die technischen Möglichkeiten gegeben, den überwiegenden Anteil der Gebäudeversorgung bis zu 80% zu leisten. Ein schneller Hochlauf der Wärmepumpentechnologie ist möglich.

Die Wärmepumpentechnologie ist mit ihren Varianten zur nahezu universell einsetzbaren wärmeliefernden Technologie geworden.

Wärmepumpenstrom kostet am Markt etwa 22 cent/kWh. Eine Erdwärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von 4,8 (in der Jahresbilanz 4,8 kWh Wärme / 1 kWh Strom) könnte also Wärmeenergie für 4,6 Cent/kWh liefern. Mit selbst erzeugtem Strom, der in dieser Region nur noch 7 Cent/kWh kostet, lägen die Wärmekosten in diesem Fall sogar bei nur 1,5 Cent pro kWh. Zum Vergleich: Fernwärme kostet in Martinsried etwa 11 Cent/kWh.

Selbst bei einem höheren Stromanteil an der erhaltenen Wärmeenergie, etwa bei Hochtemperaturpumpen, ist Wärmepumpenwärme im Verbrauch immer noch konkurrenzlos günstig.

Wärmepumpen werden durch die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) mit bis zu 50% der Kosten gefördert, Energieberatung dazu mit 80%.

Photovoltaik und Wärmepumpe bilden also ein ideales Paar in der emissionsfreien Wärmeversorgung!

Eine Alternative zu Hochtemperaturpumpen sind hybride Systeme (9), bei denen an besonders kalten Tagen eine zweite Wärmequelle zugeschaltet werden kann. Die Hilfswärmequelle kann ein Heizstab, ein Blockheizkraftwerk, eine Gas- oder eine Pelletheizung oder mit einer Solarthermieanlage sein. Hybridsysteme werden ebenfalls mit bis zu 50% gefördert, wenn die Hilfsquelle ausschließlich Erneuerbare Energien verwendet. Im Bestand vorhandene Heizsysteme können als backup für neu installierte Wärmpumpen verwendet werden. Auch Gasheizungen, die für eine spätere Einbindung erneuerbarer Energiequellen ausgelegt sind („Renewable-ready“), werden gefördert, wenn der Anteil an erneuerbaren Energien mindestens 25% beträgt.

Kombinationsmöglichkeiten einer Wärmepumpenheizung mit anderen Wärmequellen zu einem Hybridsystem. In Verbindung mit Photovoltaik kann im Prinzip Energieautarkie erlangt werden.

Derzeit sind in Deutschland etwa 1 Million Wärmepumpen installiert, was etwa 3,5 % der Wärmeversorgung entspricht. Bis 2030 wird zum Erreichen der Klimazwischenziele ein Bedarf von 5-6 Millionen Wärmepumpen prognostiziert. Das Fraunhofer ISE sagt für 2050 je nach Szenario einen Anteil von bis zu 62 % an der Wärmeversorgung des Gebäudesektors voraus (10).

Die Wärmepumpentechnologie ist laut Fraunhofer ISE die Schlüsseltechnologie der Energiewende (9).

Ein Problem im Gebäudesektor ist die nahezu stagnierende energetische Sanierungsrate von etwa 1 %, die sich laut herrschender Expertenmeinung mindestens verdoppeln müsste. Dies dürfte auch an den relativ hohen Kosten für Gebäudedämmung in Verbindung mit dem Rentabilitätsvorbehalt liegen. Der ständige Zuwachs an Wohnraum dämpft zusätzlich alle Energieeinsparbemühungen. Auch deshalb kommt der mit erneuerbarem Strom betriebenen Wärmepumpe eine besondere Bedeutung zu. Da die Dämmpflicht für Gebäude im Bestand unter dem juristischen Vorbehalt der Rentabilität steht, werden die bislang deutlich verfehlten Energieeffizienzziele im Gebäudesektor wohl nur durch konsequenten Einsatz CO₂-frei erzeugter Wärme zu erreichen sein.

2. Fernwärme

Im Gegensatz zur dezentralen Wärmeversorgung durch Wärmepumpen wird Fernwärme zentral durch große Kraftwerke erzeugt und in Wärmenetzen transportiert. Auch die Abwärme großer Wärmeemittenten wie Müllverbrennungsanlagen kann für Fernwärme genutzt werden. Im Zuge der Energiewende wird die Wärme zunehmend durch erneuerbare Energiequellen erzeugt. Hierbei spielt vor allem in Südbayern die Tiefengeothermie eine wichtige Rolle, da es mit dem Bayrischen Molassebecken günstige geologische Voraussetzungen und daher schon etliche Geothermiekraftwerke gibt. Die Münchner Stadtwerke SWM (11) betreiben seit kurzem ein Geothermiekraftwerk in Freiham, und demnächst soll das mit 75 MW Leistung größte deutsche Geothermiekraftwerk in Thalkirchen in Betrieb gehen.

Im Landkreis München werden zwei Gemeinden mit Fernwärme versorgt, und zwar Unterföhring und der Planegger Ortsteil Martinsried, der in der zweiten Hälfte der 70-er Jahre einen enormen Neubauzuwachs hatte.

Fernwärme ist auch deshalb vor allem für Neubaugebiete interessant, weil die kostenaufwändige Verlegung der Wärmenetze zusammen mit anderen Versorgungsleitungen erfolgen kann und weil eine 100%ige Anschlussdichte erreicht werden kann, da sie – nur – im Neubau erzwungen werden kann.

Fernwärmenetze erleiden von der Trassenlänge abhängige unvermeidliche Wärmeverluste. Ihre Wirtschaftlichkeit hängt daher entscheidend von der Wärmebezugsdichte ab, die man in verschiedenen Kennzahlen angeben kann, darunter den Energieverbrauch pro m² und Jahr eines Quartiers (12). Sie sollte mehr als 70 kWh/m²x a (a=Jahr) betragen, wenn alle Wohnhäuser angeschlossen werden.

Da es sich in Planegg fast ausschließlich um Wohnungen im Bestand handelt, muss nach allgemeiner Erfahrung mit weit unter 100 % Bereitschaft zum Anschluss an ein Fernwärmenetz gerechnet werden. Szenarien für den Bestand rechnen üblicherweise mit Anfangsbeteiligungen von 25-50 % der Wohnungen. Demnach müsste man für den Wohnungsbestand konservativ mit einer erforderlichen Wärmebezugsdichte von 140-280 kWh/m²x a rechnen.

In unsere Gemeinde sind 71,5% der Wohngebäude Einfamilienhäuser (13). Die Siedlungsstruktur des Ortsteils Planegg ist mit Ausnahme des Quartiers an der Abzweigung Münchner/Germeringer Straße (siehe Abbildung) suburban aufgelockert und daher prinzipiell für Fernwärme nicht vorteilhaft.

Ortsteil Planegg, ausgewählte Quartiere. Grün umrandet: Wärmebezugsdichte ca. 150 kWh/ m² x a.

(Durchschn. Verbrauch pro Wohnung: 13.000 kWh/a) Rot umrandet: Wärmebezugsdichte ca. 20 kWh/m² x a , (Durchschn. Verbrauch pro Wohnung: 18.000 kWh/a). Schwarz gestrichelt: Ortsgrenze. Eigene Daten und Verbrauchsschätzungen.

Kartenquelle: Openstreetmap (https://www.openstreetmap.org/copyright), Ortsgrenze eingezeichnet, Gebietszuordnung nach eigenen Berechnungen

Demnach würde das grün umrandete urbane Quartier die o.g. Voraussetzung erfüllen, das rot umrandete bei weitem nicht, die restlichen Quartiere im Ortsteil Planegg vermutlich auch nicht.

Zum Vergleich: Die Ende der 70er Jahre im Neubau für Fernwärme erschlossenen großen Wohnanlagen in Martinsried besitzen eine Wärmebezugsdichte von etwa 350 kWh/ m² x a (eigene Bereechnung).

Aus den genannten Gründen findet man Fernwärme vor allem in hochverdichteten urbanen Gebieten. Bis 2050 wird in den Szenarien des Fraunhofer ISE (4) eine Zunahme des Fernwärmeanteils von 14 auf 20-35% erwartet. Damit wäre ein großer Teil von Städten mit mehr als 50.000 Einwohnern (40%). abgedeckt Zum Vergleich: Der Beitrag der Wärmepumpe wird prognostisch von derzeit 3 % auf bis zu 62% steigen.

3. Der Gassektor

Die wichtigste Rolle des Gassektors ist die Wärmeversorgung des Gebäudebestandes. Gasheizungen machen 58,2 % der Wärmeversorgung aus, gefolgt von Ölheizungen mit 25,6 % und Fernwärme mit 11,6 % (14). Das Ende der Ölheizung ist schon in Sicht, aber das Gasnetz wird zumindest bis 2030 weiter ausgebaut (15). Gasheizungen stoßen pro kWh zwar deutlich weniger CO₂ aus als Ölheizungen, der Methanschlupf stellt aber ein Problem dar. Methan ist bis zu 28mal klimaschädlicher als CO₂, und besonders bei der Gewinnung von Erdgas wird Methan freigesetzt.

Im von Fraunhofer ISE erstellten Szenario „Beharrung“ bleibt die Wärmeerzeugung durch Gas, s.o., bis 2050 die vorherrschende Heiztechnik, allerdings werden in diesem Fall überwiegend klimaneutrale Gase wie Wasserstoff und Biogas in das Netz eingespeist. Aufbau und Dimension eines Wasserstoffnetzes werden derzeit diskutiert. Kleine Netze existieren bereits im Industriesektor. Mit dem Netzentwicklungsplan Gas 2020-2030 ermöglicht die Bundesnetzagentur den Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur parallel zum Gasnetz, das derzeit noch ausgebaut wird (15). Eine Umstellung auf Wasserstoffheizung erscheint reizvoll, jedoch sind im Gegensatz zu einem Großteil der Leitungen heutige Gaskessel nicht wasserstoffgeeignet und müssten ausgetauscht werden, was große Investitionen erfordern würde. Allerdings gilt der ab den 1950er Jahren erfolgte schrittweise Umstieg vom Stadtgas auf Erdgas als wesentlich aufwändiger. Die Hansestadt Hamburg geht in einem von der EU geförderte Projekt beim Aufbau eines Wasserstoffnetzes voran (16). Welchen Umfang künftige Wasserstoffnetze haben werden, ist noch völlig unklar.

Wasserstoff kann derzeit mit bis zu 10% ins Gasnetz eingespeist werden (17), ein höherer Anteil bis 30% ist noch in der Untersuchungsphase. Das mehr als 500.000 km umfassende deutsche Gasnetz ist mit weitem Abstand der größte Energiespeicher.

Forscher des Fraunhofer IKTS haben eine Methode entwickelt, mit der Wasserstoff und Methan zusammen im Gasnetz transportiert und dann bei der Ausspeisung beim Verbraucher über eine Membran voneinander getrennt werden (18). Es wird derzeit an der Skalierung dieser Methode gearbeitet.

Man kann davon ausgehen, dass das Gasnetz noch mindestens 2-3 Jahrzehnte bestehen wird und dass vielversprechende Innovationen im Einsatz von Wasserstoff und seinen Synthese produkten einen wesentlichen Beitrag bei der Umstellung auf erneuerbare Energien im Wärmesektor leisten werden.

Über alle Sektoren hinweg betrachtet ist klar, dass die Wärmewende zum weit überwiegenden Teil ein Element der Elektrizitätswende ist. Die ausreichende Verfügbarkeit von grünem Strom entscheidet über den Erfolg der Energiewende. Gigantische Photovoltaik- und Windenergieprojekte sowie ambitionierte Ziele für das Hochfahren der Wasserstoffforschung, aber auch intensive Forschungsaktivitäten und weltweit geplante Investitionen in Billionendimension zeugen davon, was als der richtige Weg zur Rettung unseres Klimas erkannt worden ist.