Bündnis 90/Die Grünen OV Planegg/Martinsried

Das Titelbild repräsentiert die beiden grundsätzlich verfügbaren Quellen emissionsfreier, erneuerbarer Energie, die Sonne und die Erde. Der Geysir im Yellowstone Nationalpark verdeutlicht die in der Erde vorhandene Wärme, die durch Geothermie nutzbar gemacht werden kann. Allerdings fließt siedend heißes Thermalwasser nur in vulkanischen Gebieten oberflächennah, in unserer Region dagegen in 3000 bis 4000 m Tiefe.

Oberflächennahe Geothermie ist überall nutzbar, die sehr viel leistungsfähigere Tiefengeothermie aber nur in geologisch geeigneten und diesbezüglich erforschten Gebieten, wozu der Landkreis München bevorzugt gehört.

Die Sonne liefert auf verschiedene Weise Energie. Windkraft und Wasserkraft sind sekundäre Energieformen, die letztlich auf der infraroten Sonneneinstrahlung beruhen.

Bioenergie ist ebenfalls eine sekundäre Energieform aus Sonnenenergie. Ihre Klimabilanz ist deutlich schlechter als die der Primärenergien von Sonne und Erde, und sie spielt in Planegg allenfalls im Privatsektor (Kaminöfen, Pelletheizungen) eine Rolle.

Für direkte Sonnenenergiegewinnung ist unsere Region sehr gut geeignet. Windenenergie ist gemäß bisherigen Erkenntnissen in unserem Landkreis und auch speziell im Würmtal nutzbar und ihre Nutzung in Planegg auch beabsichtigt.

FF-PV, Freiflächen-Photovoltaik; PVT, Kombination PV+Solarthermie; – Sol.therm, Dach-Solarthermie; APV; Agri-PV; WP; Wärmepumpe

Die Abbildung zeigt, wie die Nutzung der beiden großen primären Energiequellen aus unserer Sicht in der zukünftigen klimaneutralen Energieversorgung im Würmtal aussehen sollte. Die Sonne spielt dabei eine doppelte Rolle:

Die infrarote Strahlung liefert Wärme. Durch die Erwärmung der Biosphäre entstehen Luftbewegungen, deren kinetische Energie in Windkraftanlagen in Elektrizität umgewandelt werden kann. Die in Luft und Wasser eingetragene Wärme kann durch elektrische Wärmepumpen auf ein nutzbares Temperaturniveau gehoben werden. Das infrarote Licht kann auch in Solarthermiemodulen als Wärme aufgefangen werden.
Das energiereichere sichtbare Licht kann in Photovoltaik-Modulen elektrische Energie erzeugen.

Sonnenwärme kann auch in dachgestützten PVT-Hybridkollektoren (duale Nutzung der Sonnenstrahlung) neben der Stromgewinnung, vorzugsweise in Verbindung mit einer Wärmepumpe, vorteilhaft zur Wärmegewinnung genutzt werden (2,3), was zu einem relativ hohen Energieautarkiegrad führt. Dabei können belegbare und nutzbare Dachflächen vollständig für Photovoltaik eingesetzt werden, was besonders im Falle der Unterstützung von E-Mobilität sinnvoll ist (Strombedarf, Lastmanagement). Dach-PV und Dach-Solarthermie sind aber natürlich auch separat nützlich und so auch bislang üblich.

Wir haben dagegen Freiflächensolarthermie bewusst nicht berücksichtigt, weil sie durch die wesentlich leistungsfähigere, permanent verfügbare und äußerst flächensparende Tiefengeothermie überflüssig gemacht wird (Mehr hierzu in Folge (2) dieser Artikelreihe). Außerdem sollten die wenigen verfügbaren Freiflächen in der Gemeinde der Photovoltaik oder Agri-Photovoltaik vorbehalten bleiben.

Die beiden Sektoren Elektrizität und Gebäudewärme sind über die Wärmepumpe miteinander gekoppelt. Die Geothermie-Pumpe wird außerdem durch Strom angetrieben. Eine Agri-PV-Anlage ist in Planung (4).

Sowohl für den Strom- als auch für den Wärmeverbrauch in Planegg wird bis 2040 ein starker Anstieg prognostiziert (5).

Die Schlüsselrolle der Elektrizität

Elektrische Energie, umgangssprachlich Strom, ist die wichtigste, vielseitigste und wertvollste Energieform. Ihre zentrale Rolle in der Sektorkopplung, also sektorübergreifend in allen energieerzeugenden und -verbrauchenden Bereichen, haben wir in einem früheren Artikel dargelegt (6).

Strom kann bei Bedarf auch direkt vollständig in Wärme umgewandelt werden, während dies umgekehrt nur mit erheblichen Verlusten geschehen kann. Elektrizität ist daher die physikalisch höherwertigere Energie als Wärme.

Strom kann auch eingesetzt werden, um Wärme aus der Umwelt oder aus geringer Tiefe auf effizienteste Art und Weise zur Geltung zu bringen. So kann eine Wärmepumpe mit 1 kWh elektischer Energie 3 bis 5 kWh Wärme liefern, wodurch Photovoltaik die deutlich höhere Flächeneffizienz für Wärmeerzeugung besitzt, obwohl sie nur über einen knapp halb so großen Wirkungsgrad wie Solarthermie verfügt.

Die elektrische Wärmepumpe, die E-Mobilität und der Bedarf des Gewerbes werden zu einem deutlichen Anstieg des Stromverbrauchs in der Gemeinde führen. Hinzu kommt in einigen Jahren der gewaltige Stromverbrauch des Rechenzentrums für das neu zu errichtende MPI in Martinsried, das bei 6-7 MW Leistung (Auskunft der Max-Planck-Gesellschaft) ungefähr die Hälfte des jetzigen gesamten Stromverbrauchs unserer Gemeinde haben wird. Das entspricht dem Ertrag von 5 Windkraftanlagen oder 50 ha (70 Fußballfelder) Photovoltaik. Eine spätere Erweiterung der Leistung des Rechenzentrums bis auf 20 MW ist möglich, nach Auskunft aus dem MPI aber ungewiss.

Diese Betrachtung macht deutlich, dass grüne Elektrizität die knappste und kostbarste Energieform in Sachen Klimaneutralität sein wird und höchste Priorität erfordert, was die Nutzung verfügbarer Freiflächen betrifft.

Umweltwärme

Hiermit ist Wärme aus der Luft, aus dem oberflächennahen Erdreich oder aus Gewässern (Aquathermie) gemeint. Da der absolute Temperaturnullpunkt bei -273°C liegt, enthält Luft von 0°C viel Wärme, die bis hinunter auf etwa -15°C auch von einer Wärmepumpe genutzt werden kann. Allerdings verbraucht diese dabei eine Menge Strom, arbeitet also relativ ineffizient. Das Erdreich bietet schon in 1,5 m Tiefe eine im Jahresverlauf konstante Temperatur von etwa 7°C. Allerdings wird für horizontal verlegte Wärmetauscher eine unversiegelte Fläche vom 1,5-2,5-fachen der beheizten Wohnfläche benötigt. Im Prinzip kann eine Erdwärmepumpe mit bis in etwa 100 m Tiefe vertikal verlegten Erdsonden betrieben werden. Bis zu 400 mTiefe spricht man von oberflächennaher Geothermie.

Da Umweltwärme mehr oder weniger überall verfügbar ist, hängt die Gewinnung von Wärme aus der Umwelt auf einem nutzbaren Niveau allein vom Einsatz von Wärmepumpen ab, die fast ausschließlich elektrisch betrieben werden.

Fernwärme aus Tiefengeothermie

Allein schon wegen der Flächenknappheit kann die Energiewende nicht mit Strom allein funktionieren, obwohl dies wegen der Sektorenkopplung theoretisch durchaus möglich wäre.

Wie schon im vorigen Artikel über die Geothermie gesagt, wird man sich des Wärmeschatzes, auf dem wir in der Region südlich von München sitzen, endlich voll bewusst. Allein die Wärmeleistung der Geothermiekraftwerke im Landkreis München von rund 200 MW (berechnet aus (1)) reicht rechnerisch für etwa 130.000 Haushalte, ca.zwei Drittel aller Haushalte im Landkreis. Gegenwärtig werden an der Mehrzahl der Standorte z.T. mehrere Erweiterungen durch neue Tiefenbohrungen geplant, wodurch sich die Gesamtleistung mehr als verdoppeln würde. Durch den Einsatz von Großwärmepumpen im Mittellastbereich lässt sich die geothermische Leistung einer Anlage außerdem wesentlich steigern, wie das Beispiel der AFK Geothermie im nördlichen Landkreis zeigt (7).

Tiefengeothermische Wärme könnte also in der Zukunft vom Potential her den gesamten Landkreis München mit Wärme versorgen.

Duale grüne Wärmeversorgung

Wegen der heterogenen Siedlungsstruktur der Gemeinde Planegg (8), wegen Wirtschaftlichkeitserwägungen und wegen der Entscheidungsfreiheit von Hauseigentümern werden dezentrale, individuelle Lösungen neben einer zentralen, kollektiven Wärmeversorgung mit geothermischer Fernwärme gewiss eine wesentliche Rolle spielen.

Die folgende Abbildung zeigt die beiden tragenden Säulen der Wärmeversorgung und die zentrale Rolle der emissionsfreien Elektrizität in der dezentralen Wärmeversorgung, die alle Bereiche abdeckt, in denen Fernwärme aus wirtschaftlichen oder anderen Gründen nicht zum Einsatz kommt. Die elektrische Versorgung der Geothermiepumpe und der Fernwärmepumpe ist nicht eingezeichnet.

Während die Verteilung von Strom über das vorhandene Stromnetz oder über die Hausnetze von Kleinerzeugern erfolgen kann, gibt es in Planegg noch kein Netz für die Verteilung von zentral gewonnener geothermischer Wärme. Die dezentrale Gewinnung von Wärme kann in einzelnen Häusern geschehen, sie kommt aber auch für Wohnquartiere infrage, in denen die Wohnungen über ein Nahwärmenetz verbunden sind, das durch erneuerbare Energie gespeist wird. Nahwärmenetze können in Verbindung mit einer Großwärmepumpe z.B. durch ein Erdsondenfeld, also durch oberflächennahe Geothermie, gespeist werden. In der Gemeinde Mertingen wird ein Nahwärmenetz erstmals durch eine Luft-Großwärmepumpe gespeist, die komplett mit Solarstrom betrieben wird und mehr als 1000 Haushalte mit Wärme versorgen kann (9).

Quartiere können aber auch durch ein „kaltes Nahwärmenetz“ versorgt werden. Durch solch ein Wärmenetz kann z.B. die konstante Wärme von 10-12 °C aus einem Erdsondenfeld auf die einzelnen Häuser verteilt werden, wo sie durch Wärmepumpen individuell jeweils auf Heizungsniveau gebracht werden.

Weitere mögliche Optionen der Wärmeversorgung

Hybride Wärme

So wie rund 6 Millionen Gasheizungen in Deutschland, viele davon effiziente neue Thermen, wahrscheinlich nicht so schnell verschwinden werden, dürfte auch das 550 000 km lange Gasnetz – zumindest großteils – noch eine Weile Bestand haben. Daher dürfte eine Umrüstung auf ein Hybridsystem oft attraktiv sein, bei dem nachhaltige Energiequellen mit einer Bestands-Erdgasheizung kombiniert werden.

Abbildung aus einem früheren Artikel (10). Ein Hybridsystem funktioniert auch ohne Wärmepumpe und ohne PV, ist jedoch dann sehr viel weniger klimafreundlich.

Eine Wärmepumpe kann auf diese Weise sehr effizient eingesetzt werden, weil die Gasheizung an sehr kalten Tagen eine backup-Rolle übernehmen kann und kein Heizstab betrieben werden muss. Die Wärmepumpe kann dann auch geringer dimensioniert werden als im Alleinbetrieb, weil sie nicht für extreme Temperaturen ausgelegt werden muss, was sich auch positiv auf die Arbeitszahl (Verhältnis Wärmeoutput/Strominput) auswirkt. Das 65%-Kriterium des novellierten Gebäudeenergiegesetzes kann mit Wärmepumpe und PV bei entspechender Steuerung auch mit einer Gas-Hybridheizung eingehalten werden. Angesichts eines Gasheizungsanteils von rund 50% in unserer Gemeinde könnten Hybridheizungen also zumindest vorübergehend einen signifikanten Beitrag zum Erreichen der Klimaziele liefern.

Aquathermie

Die Würm in Planegg

Umweltwärmegewinnung aus Gewässern durch Wärmepumpen, Aquathermie, ist im Kommen. Ein Beispiel für die Nutzung der Wärme eines kleinen Flusses ist eine Quartiersversorgung in Kuppenheim an der Murg (11). In Mannheim am Rhein geht eine 20 MW-Flusswärmepumpe in Betrieb, die 3500 Haushalte versorgen soll, in Esbjerg an der Nordsee wird ein 70 MW-Wärmepumpenkraftwerk in Betrieb gehen.

Die Würm besitzt eine mittlere Flussrate von 4,7 Kubikmeter pro Sekunde (12). Würde man 1,5 % dieser Menge in einem Wärmetauscher um 3,5 Grad abkühlen, dann könnte eine Wärmeentzugsleistung von ca. 1 MW erreicht werden. Damit könnten bis zu rund 8 Millionen kWh pro Jahr an Wärme gewonnen werden, was dem Wärmeverbrauch von rund 600 Haushalten entspricht.

Da das Würmwasser insgesamt durch diesen Vorgang kaum abgekühlt werden würde, könnte der Vorgang auf dem 1,5 km langen Weg der Würm durch Planegg theoretisch durchaus wiederholt werden.

Abwärme

Serverraum eines Rechenzentrums

Industrielle Abwärme und Abwärme von Rechenzentren werden in Deutschland bislang erst wenig genutzt und stellen ein erhebliches Wärmepotential dar. Im zukünftigen Rechenzentrum des neuen MPI für Biochemie in Martinsried, das innerhalb der nächsten ca. 10 Jahre 6 bis 7 MW Leistung erreichen soll, könnten in der Zukunft rund 2 MW Abwärme mittlerer Temperatur (55 bis 60 °C) ausgekoppelt werden, die bei der Flüssigkühlung von Prozessoren anfällt (13). Allerdings wird das neu zu errichtende MPI mit rund 1000 Mitarbeitern als Großverbraucher zumindest einen erheblichenTeil seiner Abwärme ganzjährig selbst für Wärme- und Kälteerzeugung nutzen. Wie etwaige Wärmeüberschüsse verwendet werden, ist noch völlig offen. Eine Abgabe an den Wärmemarkt ist laut Auskunft der Max-Planck-Gesellschaft jedenfalls nicht geplant. Da das MPI an das Fernwärmenetz der SWM angeschlossen ist, erscheint eine Einspeisung von etwaigen Wärmeüberschüssen in das Hochtemperaturnetz (ca. 95°C) über eine Wärmepumpe möglich.

Zum Vergleich: Die Abwärmeleistung des zu errichtenden Rechenzentrums von etwa 2 MW entspricht etwa einem Sechstel der erwarteten Leistung des zukünftigen Geothermiekraftwerks in Gräfelfing (mit nur einer Bohrdublette).

Auch wenn es sinnvoll ist, Rechenzentrumsabwärme zu nutzen, anstatt sie in der Umwelt verpuffen zu lassen: Es handelt sich dabei nicht um emissionsfreie Wärme! Pro kWh nutzbarer Abwärme aus der Prozessorkühlung würden nämlich bei der Stromerzeugung für das Rechenzentrummit dem deutschen Strommix (derzeit ca. 400 g CO₂pro kWh) rund 1,2 kg CO₂ entstehen, während für Wärme aus Erdgas nur rund 200 g CO₂ pro kWh anfallen. Bilanziell würden 20.000 Tonnen primär emittiertem CO₂ pro Jahr demnach nur eine Einsparung von ca 3.300 Tonnen CO₂ durch Abwärmenutzung gegenüberstehen. Die netto-CO₂-Emission des MPI-Rechenzentrums würde die CO₂-Bilanz der Gemeinde Planegg (14) mit etwa 20% zusätzlich belasten, es sei denn, der Strom würde emissionsfrei, also z.B. durch 5 Windräder (s.o.) erzeugt werden.

Wieviel grüne Energie benötigen wir?

Laut Prognose des Tools der 29++ Initiative des Landkreises München (5) wird der Stromverbrauch Planeggs 2040 bei ca. 140.000 MWh/Jahr liegen (2020: ca. 100.000).

Das zukünftige Rechenzentrum ist nicht enthalten.

Der Wärmeverbrauch wird bis 2040 auf rund 240.000 MWh/Jahr steigen. (2020: 175.000). Die Steigerung ist dem Gewerbesektor zuzuschreiben.

Das vorhandene Potential an Wärmelieferung ist, wie oben dargelegt, weitaus höher als der prognostizierte Bedarf, wenn man die möglichen Kooperationspartner Planeggs (6) und die von diesen geplanten Erweiterungen iher Geothermiekraftwerke durch zusätzliche Bohrungen berücksichtigt.

Der voraussichtliche Strombedarf der Gemeinde Planegg würde beispielweise durch

gedeckt werden können. (Grobe Dachflächenberechnung aus der bebauten Fläche, (15)

Fazit

Mit den drei Standbeinen Photovoltaik+Windkraft, Wärmepumpe/Umweltenergie und Tiefengeothermie könnte die Energiewende vom Potential her allein bestritten werden.

Allerdings dürften die verfügbaren Flächen für Photovoltaik, also Dächer und Freiflächen , selbst bei großer Kooperationsbereitschaft der Eigentümer limitierend sein. Daher kann die benötigte elektrische Energie zum Teil, wie voraussichtlich auch die gesamte tiefengeothermische Wärme, nicht im Gemeindegebiet gewonnen werden.

Im Wärmesektor dürfte sich ein Nebeneinander von Fernwärme und diversen Wärmepumpenlösungen einspielen, dessen Verteilung wesentlich von den Faktoren politische Steuerung, Fernwärmepreis, Investitionskosten und Strompreis abhängen wird.

Quellen

(1)

https://geothermie-allianz.de/wp-content/uploads/2022/09/Gutachten-Masterplan-Geothermie-Bayern.pdf

(2)

https://www.gebaeudeforum.de/realisieren/gebaeudetechnik/innovative-gebaeudetechnik/solar-hybridkollektoren-pvt/

(3)

https://www.energie-fachberater.de/strom-solar/solar/solarstrom-plus-solarwaerme-was-sind-eigentlich-pvt-kollektoren.php

(4)

https://gruene-planegg.de/2022/04/22/pressemitteilung-22-04-2022-gruener-buergerstrom-fuer-die-energiewende-vor-ort/

(5)

https://www.energieagentur-ebe-m.de/service/29_treibhausgaszieletool

(6)