Fernwärmenetze im Kontext nationaler Klimaziele: Potenziale für „UrbanTurn“

Das Verbundvorhaben: EnEff:Wärme: UrbanTurn ist ein vom BMWK gefördertes, laufendes Forschungsprojekt, das unter anderem darauf abzielt, bestehende Fernwärmenetze durch verbesserte Auslegungskriterien für die Umstellung auf einen höheren Anteil erneuerbarer Energien zu qualifizieren. Im Zuge dieser Studie werden ausgehend vom Status quo der Fernwärme in Deutschland, politische Studien, technische Regelwerke und Transformationsprojekte gesichtet, um die Anforderungen, Potenziale und Herausforderungen der Fernwärmenetze in der Zukunft zu verifizieren.
In Deutschland decken derzeit durchschnittlich drei Wärmeerzeugungsanlagen (1 KWK, 2 Heizwerke) pro Fernwärmenetz den bestehenden Wärmeleistungsbedarf über eine Gesamtlänge von 21.482 Kilometern an insgesamt 360.305 Hausanschlussstationen [1]. Der Marktanteil der Fernwärmeversorgung in Deutschland liegt bei ca. 14% [2] und der Anteil der erneuerbaren Wärmequellen beträgt ca. 17,8% [3].
Der überwiegende Teil der bestehenden Fernwärmesysteme sind Heißwassernetze (20.938 km) mit Auslegungstemperaturen über 110°C. Ein kleiner Teil nutzt noch Dampf als Wärmeträgermedium (Dampfnetze 544 km) [1]. Für die Betriebsplanung von Wärmeerzeugungsanlagen ist eine Lastprognose des Wärmebedarfs auf Basis des Nutzungsverhaltens in Verbindung mit der Außentemperatur weit verbreitet. Die Betriebsführung erfolgt über eine außentemperaturabhängige Anpassung der Betriebsparameter (Temperatur und Druck) zur Deckung des Wärmebedarfs. Für die Betriebsführung und Optimierung ist die digitale Erfassung der Betriebsparameter (Temperatur, Druck und Volumenstrom) an Wärmeerzeugungsanlagen, definierten Stellen im Wärmenetz (z.B. Druckerhöhungsstationen) und bei Sonderkunden bereits Stand der Technik. Gemessen an der Länge des Wärmenetzes und der Anzahl der Hausanschlussstationen ist der Anteil der digitalen Punkte zur Erfassung von Betriebsparametern und deren Nutzung für die Betriebsführung heute noch gering [4].
Im Rahmen der Erreichung der deutschen Klimaziele wird in der aktuellen politischen Diskussion die Klimaneutralität des Wärmesektors zum Ziel erklärt. Dabei haben veränderte Rahmenbedingungen zuletzt zu dazu geführt, dass der Zeitpunkt zur Erreichung des Zieles der Klimaneutralität von 2050 auf 2045 angepasst wurde. Die vorliegende Studie zielt darauf ab, die Potenziale von Fernwärmenetzen herauszuarbeiten, die im Kontext der nationalen Klimaziele entstehen. Die entscheidende Frage bei der Recherche politischer Studien ist, wie Wärmenetze zur Erreichung der nationalen Klimaziele beitragen können. Der Zeitpunkt, wann die Klimaziele erreicht werden, ist für die Untersuchungen im Forschungsprojekt „UrbanTurn“ von untergeordneter Bedeutung, da sich der Zeitpunkt zur Erreichung der Ziele lediglich auf die Bearbeitungszeit zur Umsetzung auswirkt. Für die Recherche der politischen Zielstellungen wurden mehrere Studien gesichtet und hinsichtlich ihrer Eignung für das Projekt ausgewertet. Entsprechende Studien prognostizieren eine Reduktion des Endenergiebedarfs für Raumwärme und Warmwasserbereitung bis 2050 (langfristig), als Folge der Modernisierung des Gebäudesektors [5, 6]. Gleichzeitig wird davon ausgegangen, dass der Marktanteil der Fernwärme an der Wärmeversorgung bis 2030 auf 30 % und der Anteil der erneuerbaren Energien an der Fernwärmeerzeugung im gleichen Zeitraum auf bis zu 45 % gesteigert werden kann [7]. Die Auswirkungen dieser Transformationsziele auf die Struktur der bestehenden Wärmesysteme und die Auswirkungen auf die Wärmenetze bleiben dabei weitgehend unberücksichtigt. Das übergeordnete Ziel des ersten Teils des „UrbanTurn"-Projekts ist es, die Anforderungen, Potenziale und Herausforderungen an Wärmenetze in der Zukunft zu verifizieren. Ausgangspunkt hierfür sind die Auslegungsgrundsätze und Auslegungskriterien für Wärmenetze [8, 9, 10]. Die Untersuchungen zeigen, dass die Dekarbonisierung bestehender Wärmenetze in Kombination mit einer Erhöhung des Marktanteils, insbesondere in städtischen Gebieten, ein großes Potenzial zur Erreichung der nationalen Klimaziele bietet. Der notwendige Transformationsprozess erfordert u.a. die Substitution fossiler Wärmeerzeugungsanlagen, die Anpassung der Netztemperaturen und die Erhöhung der dezentralen Wärmeerzeugung. Durch die zunehmende dezentrale Einspeisung ist eine höhere thermohydraulische Dynamik in den Netzen zu erwarten. Dies bedeutet häufigere Änderungen der Strömungsrichtung in den Leitungen oder schnellere und häufigere Temperaturänderungen, die eine Zunahme der Lastzyklen sowie Druckspitzen verursachen und die Ermüdung der erdverlegten Infrastruktur beeinflussen können. Daher müssen bestehende Abschätzungen und Annahmen für Berechnungen zur Rohrstatik überdacht werden. Aufgrund der dezentralen Wärmeeinspeisung und der veränderten Betriebsbedingungen ist eine Anpassung und Ausweitung der digitalen Erfassung von Betriebspunkten im Fernwärmesystem sowie eine Überarbeitung der bisherigen Normung notwendig. Die sich daraus ergebende Flexibilität der Betriebsparameter Temperatur und Druck der Fernwärmenetze sowie deren zulässige Grenzbereiche sollen im nächsten Schritt des Projektes durch Versuche und Simulationen an der Versuchseinrichtung „District LAB1" untersucht werden. Die Ergebnisse dieser Studie bilden die Grundlage für zukünftige die Experimente im „District LAB“.