Fokusthemen zum Klima-schutz im Gebäudebereich - dena-GEBÄUDEREPORT 2021 - Kapitel
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dena
GEBÄUDE
REPORT
2021
dena-GEBÄUDEREPORT 2021
Fokusthemen zum Klima-
schutz im Gebäudebereich
Kapitel
Wärme und Kälte
2 dena-Gebäudereport
Inhalt
Impressum
Herausgeber :
Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena)
Chausseestraße 128 a, 10115 Berlin
Tel.: + 49 (0)30 66 777-0
Fax: + 49 (0)30 66 777-699
Wärme und Kälte www.dena.de
Bildnachweis:
05 Endenergieverbrauch im Wärme- und Kältesektor Titelbild – GettyImages/Guido Mieth; Shutterstock:
11 Wärme- und Kältetechnologien und -anwendungen S. 4 – Ivan Smuk; Alle anderen Bilder Copyright:
14 Wärmenetze Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena)
Redaktion:
Thomas Bründlinger, dena
Heike Marcinek, dena
Christina Stahl, dena
Christian Stolte, dena
Konzeption und Gestaltung:
Heimrich & Hannot GmbH
dena-GEBÄUDEREPORT 2021
Stand:
Den gesamten dena-Gebäudereport 2021: 05/2021
Fokusthemen zum Klimaschutz im Gebäudebereich
mit den Kapiteln: Bitte zitieren als:
Deutsche Energie-Agentur (dena, 2021):
dena-Gebäudereport 2021 – Fokusthemen
- Zahlen, Daten, Fakten zum Klimaschutz im Gebäudebereich
- Ziele und politische Rahmenbedingungen
Diese Veröffentlichung des Projekts „dena-Gebäudereport
- Green Finance im Gebäudesektor
2021: Fokusthemen zum Klimaschutz im Gebäudebereich“
- Wärme und Kälte erfolgt im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft
- Ressourcen im Bauwesen und Energie. Die dena unterstützt die Bundesregierung in
verschiedenen Vorhaben bei der Umsetzung der energie-
und klimapolitischen Ziele.
finden Sie online unter:
www.dena.de/gebaeudereport2021
gebaeudereport@dena.de
twitter.com/dena_news
dena.de
4 dena-Gebäudereport
dena
GEBÄUDE
REPORT
2021
Wärme und Kälte
Was Sie hier lesen:
Im Folgenden werden einige Aspekte der Wärme- und Kältewende im Gebäudebereich vertiefend erörtert.
Dargestellt wird der Status quo zum Endenergieverbrauch von Wärme und Kälte in Deutschland, wobei der Anteil
erneuerbarer Energien und die Nutzung von Abfall zur Wärmeerzeugung genauer beleuchtet werden. Anschlie-
ßend wird eine Auswahl an Technologien zur Erzeugung, Nutzung und Speicherung von Wärme und Kälte präsen-
tiert. Dabei wird auf den aktuellen Stand der Technik sowie den Einsatz regenerativer Energien näher eingegan-
gen. Die Temperaturbereiche und typische Anwendungen von Solar-, Geothermie und/oder Abwärme werden
dargestellt. Dies soll es Interessierten erleichtern, Planungsentscheidungen zu treffen, Potenziale abzuschätzen
und diese zu kommunizieren. Dabei erhebt die Zusammenstellung keinen Anspruch auf Vollständigkeit, soll aber
verschiedene anwendbare Technologien und Nutzungsmöglichkeiten aufzeigen.
Zur Wärme- und Kältewende gehört auch das Thema Wärme- und Kältenetze. Dieses Kapitel wird daher mit Blick
auf die vergangene Entwicklung, den Status quo und die nähere Zukunft von Wärmenetzen abgeschlossen.
Kapitel 04/05 Wärme und Kälte 5
01 ndenergieverbrauch
E
im Wärme- und
Kältesektor
Öl: 2,9
Beleuchtung 66,7 Erneuerbare: 0,1
Öl: 2,2
IKT1 57,7 Erneuerbare: 0,1 Unsere Autorinnen
und unser Autor:
8,3 31,3
Mechanische Energie 752,6 193,7
Anwendungsbereich
53,3
Prozesskälte Gas: 0,1
9,7
Klimakälte Gas: 0,7; Öl: 0,7
Fernwärme: 47,1
Öl: 25,8
Prozesswärme 225,4 83,8 109,7 Sonstige: 20,0 Maike von Krause-Kohn
Öl: 23,9 Strom: 21,5 ist in der dena in nationa-
Erneuerbare: 29,4
len und internationalen
Warmwasser 62,6 Erneuerbare: 16,3 Projekten zur Modernisie-
Strom: 15,4 rung von Wärme- und Käl-
Fernwärme: 5,9; Kohle: 0,2
Kohle: 6,3 tenetzen, erneuerbaren
Raumwärme 163,0 309,1 113,2 Sonstige: 0,4 Energien und thermischen
Fernwärme: 54,8 Energiespeichertechnolo-
gien eingebunden.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000
Endenergieverbrauch in TWh
Öl Kohle
Gas Erneubare
Strom Sonstige
Fernwärme
B Abb. 1: Endenergieverbrauch
nach Anwendungsbereichen und
Peter Pannier
Energieträgern in TWh in Deutsch-
ist in der dena u. a.
land 2019, Quelle: BMWi 2021,
in nationalen und
1
IKT = Informations- und Kommunikationstechnik eigene Darstellung EU-Projekten zu
energieeffizientem
Bauen und Sanieren
(Gebäudeenergiegesetz,
Vertiefend werden im folgenden Zahlen, Daten und Fakten zum Endener- Energieausweis,
Gebäudebilanzierung,
gieverbrauch im deutschen Wärme- und Kältesektor dargestellt. TGA) tätig.
Energiequelle für den jeweiligen Anwen-
dungsbereich im Wärme- und Kältesektor
Der Endenergieverbrauch der Wärme und Kälte für alle Sektoren wird in die Anwendungs-
bereiche Raumwärme, Warmwasser, Prozesswärme bzw. -kälte und Klimakälte unterteilt Susanne Schmelcher
verantwortet in der dena
(siehe Abbildung 1). Dabei fällt auf, dass der Wärmebereich den größeren Anteil ausmacht und als Teamleiterin „Integrierte
derzeit vor allem Gas als Energieträger verwendet wird. Im Kältebereich wird zumeist Strom Quartiere und urbane
Wärmesysteme“ nationale
eingesetzt. Im Hinblick auf den Kohleausstieg müssen im Bereich Prozesswärme über 100 TWh und internationale Projekte
durch Effizienzsteigerungen oder andere Maßnahmen und Quellen kompensiert werden. in diesem Themenfeld.6 dena-Gebäudereport
Gesamter Endenergieverbrauch von Wärme
und Kälte nach Anwendungsbereichen
C Abb. 2: Gesamter
Endenergiever- In Deutschland betrug der Endenergieverbrauch im Jahr 2019 insgesamt 2.513,8 TWh,
brauch nach
wovon 55,6 Prozent auf den Wärme- und Kältesektor entfielen. Den größten Anteil machten
Anwendungs
bereichen (links) dabei die Raumwärme mit 662,1 TWh und die Prozesswärme mit 541,2 TWh aus (siehe Ab-
und Anteile im bildung 2) (AGEB, 2020).
Wärme- und Kälte-
bereich (rechts) in
Deutschland 2019,
Quelle: AGEB 2020,
eigene Darstellung
Beleuchtung: 2,8 % Warmwasser:
130,5 TWh
Endenergie-
verbrauch in
den Bereichen
Raumwärme: Prozesswärme:
Mechanische Wärme und
662,1 TWh 541,2 TWh
Energie: 39,2 % Kälte: 55,6 %
bzw. 1.389,3 TWh
Prozesskälte:
IKT: 2,4 % Klimakälte:
53,4 TWh
11,1 TWh
Endenergieverbrauch von Wärme und Kälte
C Abb. 3: Endener-
gieverbrauch nach
in Haushalten nach Anwendungsbereichen
Anwendungsbe-
reichen (links)
und Anteile im Der Endenergieverbrauch in privaten Haushalten lag in Deutschland 2019 bei 666,5 TWh,
Wärme- und Kälte- wobei mit rund 94,4 Prozent ein Großteil im Bereich der Wärme und Kälte und dabei vor
bereich (rechts) in
deutschen Haus- allem im Bereich der Raumwärme (68,2 Prozent) verbraucht wurde (siehe Abbildung 3)
halten 2019, Quelle: (AGEB, 2020).
AGEB 2020, eigene
Darstellung
Raumwärme:
454,4 TWh
Endenergie-
verbrauch
Beleuchtung: 1,5 % in den Berei-
Klimakälte:
IKT: 3,2 % chen Wärme
1,3 TWh
und Kälte:
Mechanische Prozesskälte:
94,4 % bzw.
Energie: 0,9 % 28,4 TWh
629,5 TWh
Prozesswärme:
39,5 TWh
Warmwasser:
105,9 TWhKapitel 04/05 Wärme und Kälte 7
Anteil regenerativer Energien am Endenergie-
verbrauch weltweit
Über die Hälfte der weltweit verbrauchten Endenergie wird in Form von Wärme und Kälte
genutzt. Dabei stammen nur durchschnittlich 10 Prozent aus regenerativen Quellen (siehe
Abbildung 4). Zu beachten ist bei dieser Darstellung, dass der Stromsektor zum Teil auch
den Energieverbrauch im Wärme- und Kältebereich – 7,1 Prozent in 2016 – sowie im Trans-
portsektor (1,1 Prozent in 2016) deckt.
Wärme/Kälte Transport Strom
51 % 32 % 17 %
10 % 3% 26 %
Regenerative Energien Regenerative Energien Regenerative Energien
B Abb. 4: Anteil der regenerativen
Energien am Endenergiever-
brauch weltweit nach Sektoren,
Quelle: REN21 2019, eigene
Darstellung
Heat Roadmaps
Die Forschenden der Initiative Heat Roadmaps gehen davon
aus, dass sich der Anteil an Raumkühlung in Deutschland vor
allem aufgrund der steigenden Anzahl an heißen Tagen erhö-
hen wird; während der Verbrauch in den Bereichen Prozess-
wärme und -kälte sowie Warmwasser voraussichtlich ähnlich
bleiben wird (Paardekooper et al. 2018).8 dena-Gebäudereport
Anteil der Wärmeerzeugung aus erneuerbaren
Energien und Abfall am Endenergieverbrauch
in Deutschland
In Deutschland ist der Anteil erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch Wärme 2020 auf
rund 15,2 Prozent gestiegen – Biomasse dominiert die Erneuerbaren, gefolgt von oberflächen-
naher Geothermie, dem biogenen Anteil des Abfalls und Solarthermie. Das Schlusslicht stellt
derzeit noch die tiefe Geothermie dar, konnte aber von 2019 auf 2020 um 8,1 Prozent zulegen
(BMWi 2021).
Bei der Entwicklung der Wärmeerzeugung aus erneuerbaren Energien und Abfall war insgesamt
CA
bb. 5: Bisherige von 2009 bis 2013 ein guter Ausbau zu verzeichnen. Danach kam es vor allem durch den Rück-
Entwicklung der Er- gang im Bereich der Wärmeerzeugung aus Biomasse zu einem Einbruch, der durch den Ausbau
zeugung und instal-
lierten Leistung der der restlichen erneuerbaren Wärmeerzeugung und durch eine verstärkte Nutzung des bioge-
Wärmeerzeugungs- nen Anteils des Abfalls mittlerweile wieder ausgeglichen werden konnte.
anlagen aus erneu-
erbaren Energien
und Abfall 2009 bis Wird die Änderung von 2019 zu 2020 betrachtet, konnten alle erneuerbaren Wärmeerzeugungs-
2020 in Deutschland, quellen, bis auf die Biomasse, ausgebaut werden, sodass 2020 nahezu 180 TWh aus Erneuerbaren
in TWh, Quelle:
BMWi 2021, eigene erzeugt werden konnten. Die Wärmeerzeugung aus oberflächennaher Geothermie verzeichnete
Darstellung sogar einen Anstieg um 9,5 Prozent von 2019 bis 2020 (siehe Abbildung 5).
180
16,0
1,4
8,7
150
14,7
0,6 5,1
5,3 139,0
Wärmeerzeugung aus erneubaren Energien
6,5
120
121,5
und Abfall in TWh
90
60
30
0
2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Jahr
Änderung von 2019 zu 2020
Biomasse –1,0 %
Biogener Anteil des Abfalls +0,5 %
Solarthermie +2,6 %
Tiefe Geothermie +8,1 %
Oberflächennahe Geothermie +9,5 %Kapitel 04/05 Wärme und Kälte 9
Status quo der
erneuerbaren Wärme
Der Endenergieverbrauch für Wärme aus erneuerbaren Energien im Jahr 2020 lag bei rund
180 TWh und verteilte sich wie abgebildet (siehe Abbildung 6) auf unterschiedlichste erneuerbare
Energien, wobei die biogenen Stoffe den größten Anteil mit rund 139 TWh ausmachten (UBA 2021).
CA
bb. 6: Endener-
gieverbrauch für
Wärme aus erneu-
erbaren Energien in
TWh in Deutschland
2020, Quelle: UBA
2021, eigene
Darstellung
Biogene Festbrennstoffe
Biogener Anteil
HW/HKW1 inkl. Klärschlamm:
des Abfalls:
5,9 TWh
14,8 TWh Biogene
Festbrennstoffe
Solarthermie: (Haushalte): 67,8 TWh
8,6 TWh Biogene flüssige Brennstoffe
Biogene
inkl. Biodieselverbrauch in
Brennstoffe:
Tiefe Geo- Land- und Forstwirtschaft,
138,9 TWh
thermie: 1,4 TWh Baugewerbe und Militär: 3,1 TWh
bzw. 77,2 %
Oberflächennahe Biogene
Geothermie, Festbrennstoffe
Umweltwärme: Biogene gasförmige GHD2: 19,1 TWh
16,0 TWh Brennstoffe: 19,2 TWh Biogene Festbrennstoffe
(Industrie) inkl. Klärschlamm:
23,7 TWh
1
HW/HKW = Heizwerk/Heizkraftwerk
2
GHD = Gewerbe, Handel, Dienstleistungen
E Tab. 1: Flächenkon-
kurrenz und Erträge Jahreserträge Flächenbedarf im Vergleich
von erneuerbaren im Durchschnitt zur Solarthermie
Energien, Quelle:
Epp 2017
Solarthermie 150 kWhth/(m2a) 1
Photovoltaik 59,5 kWh el/(m2a) 2,5
Biomasse/Bioethanol 3,5 kWhth/(m2a) 4310 dena-Gebäudereport
Entwicklungen und Perspektiven im Bereich der
Kühlung und Klimakälte
Die Erde erwärmt sich durch die anthropo- Kältespeicher könnten in Zukunft in
genen (vom Menschen verursachten) Treib- Deutschland, z. B. aufgrund des stetig stei-
hausgasemissionen, wobei sowohl die Spit- genden Endenergiebedarfs an Klimakälte,
zen- als auch die Durchschnittstemperatur der auch durch einen Ausbau der Nahkälte-
ansteigen. Infolgedessen wird die Nachfrage netze oder erneuerbare Klimakälteanlagen
nach Kühlung steigen, was sowohl durch die gedeckt werden könnte, eine größere Rolle
Klimakrise als auch durch die Verbesserung spielen.
der wirtschaftlichen Bedingungen angetrie-
ben wird. Kompressionssysteme versorgen einen gro-
ßen Teil der Kühlinfrastruktur von Wohnhäu-
Laut dem UN Environment Programme sern und Industrieanlagen. Diese Systeme
(UNEP) verursacht konventionelle Kühlung sind auf komprimierende Gase angewiesen,
weltweit bereits bis zu 10 Prozent der globa- von denen viele zum Treibhauseffekt beitra-
len Treibhausgasemissionen, doppelt so viel gen, wenn sie in die Atmosphäre freigesetzt
wie die Kohlenstoffemissionen des Luft- und werden. Ein alternativer Ansatz ist die Ver-
Seeverkehrs zusammengenommen. 3,6 Milli- wendung von kalorischen Materialien, d. h.
arden Kühlgeräte sind bereits im Einsatz. Es von Feststoffen, die Wärme effektiv ableiten,
wird vorhergesagt, dass sich diese Zahl – be- da sie elektrisch, magnetisch oder mecha-
dingt durch steigende Temperaturen, Urba- nisch arbeiten. Aber auch die Verwendung
nisierung und Bevölkerungswachstum – bis von Materialien, die Wärme in Form von In-
2030 verdoppeln und bis 2050 fast vervierfa- frarotstrahlung regulieren, wird betrachtet.
chen wird. Die direkten und indirekten Emis- Materialien zur passiven Strahlungskühlung
sionen aus Klima- und Kälteanlagen werden nutzen ein Atmosphärenfenster für Infrarot-
voraussichtlich bis zum Jahr 2050 gegen- strahlung, um Wärme in den Raum abzuge-
über 2017 um 90 Prozent ansteigen. ben. Wenn diese Systeme auf Dächern einge-
setzt werden, können sie Gebäude potenzi-
Abbildung 7 zeigt den Endenergieverbrauch ell auch tagsüber um einige Grad kühlen.
in Deutschland im Bereich der Klimakälte in
C Abb. 7: Endenergieverbrauch TWh (BMWi 2020). Seit 2009 ist der Bedarf
im Bereich der Klimakälte in
Deutschland in TWh, Quelle: stetig angestiegen und wird bei linearem Ver-
BMWi 2021, eigene Darstellung lauf 2030 bereits über 13 TWh ausmachen.
14
Endenergieverbrauch im Bereich
13
der Klimakälte in TWh
12
11 Klimakälte
Lineare Prognose basierend auf den
10
Daten der letzten 5 Jahre
9 Lineare Prognose basierend auf den
Daten der letzten 10 Jahre
8
2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2025 2030
JahrKapitel 04/05 Wärme und Kälte 11
02 Wärme- und
Kältetechnologien und
-anwendungen
C Abb. 8: Temperaturniveaus für
geothermische Technologien
und ihre typischen Anwendungs-
optionen, Quelle: Bundesverband
Geothermie 2021
Geothermische Technologien und
ihre typischen Anwendungsoptionen
Erdwärmekollektoren, 8 – 15 °C
Erdwärmebrunnensystem
Heizen/Kühlen – einzelne Gebäude
Flache Erdwärmesonde 10 – 15 °C
10 – 15 °C
Erdwärmesondenfeld Heizen/Kühlen – Bürogebäude, Gewerbe
Tiefe Erdwärmesonde 20 – 60 °C Heizen – Bürogebäude, Gewerbe
Thermalwasserbohrung 20 – 100 °C Thermalbad
Hydrothermale Bohrungsdublette 40 – 150 °C
Fernwärme, Strom
Petrothermale Bohrungsdublette 150 – 230 °C
Temperatur in °C
0 30 60 90 120 150 180 210 240
C Abb. 9: Temperaturniveaus für
Solarthermiekollektoren und
ihre typischen Anwendungsfelder
sowie thermische Speicher,
Quellen: Jakob 2019, IRENA 2020
und EASE/EERA 2013
Solarthermiekollektoren und ihre typischen Anwendungsfelder sowie
thermische Speicher
Große Parabolrinnensolarthermie, 250 – 450 °C Stromerzeugung,
Fresnel-Kollektoren industrielle Prozesse
(um 20 °C)
Kleine Parabolrinnensolarthermie 130 – 250 °C Industrielle Prozesse, solares Kühlen mittels H2O und
und Fresnel-Kollektoren Lithiumbromid (LiBr2), Warmwasserbereitstellung,
Unterstützung bei der Stromerzeugung (um 15 °C)
Vakuumröhrenkollektor, 90 – 130 °C Solares Kühlen mittels NH3-H2O3,
CPC1-Kollektoren Niedertemperaturprozesswärme (um 0 °C)
Flachkollektoren 40 – 90 °C Solares Kühlen mittels H2O und LiBr2, Silicagel oder Zeolith,
Brauchwarmwassererwärmung (um –20 °C)
Thermische Speicher –160 – 1.000 °C
Temperatur in °C
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1.000
1
CPC = Compound Parabolic Concentrator 2
LiBr = Lithiumbromid 3
NH3-H2O = Wässrige Ammoniak-Lösungen12 dena-Gebäudereport
C Abb. 10: Temperaturbereiche zu
unterschiedlichen Anwendungen
von Biomasse, Quellen: Böhning
und Beckmann 2013, ZSW 2013,
AEE 2017
Temperaturbereiche zu unterschiedlichen Anwendungen von Biomasse
Synthesegaserzeugung 200 – 1.300 °C
aus Biomasse
Verbrennung von Holzgas 250 – 1.100 °C
Verbrennung von Holzkohle 500 – 800 °C
Feste Biomasse und Biomethan 0 – 500 °C
Temperatur in °C
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000 1.100 1.200 1.300
C Abb. 11: Beispiele für
Abwärmequellenund deren
Nutzungsmöglichkeiten,
Quellen: dena 2015a, Otto et al. 2016
Beispiele für Abwärmequellen und deren Nutzungsmöglichkeiten
Abwärmesenken: Nutzung der Abwärme
zur Stromerzeugung
250 – 540 °C
mittels Dampfprozessen
zur Stromerzeugung
70 – 450 °C
mittels ORC1-Verfahren
zur Speisewasservorwärmung
125 – 400 °C
und für Verbrennungsluftprozesse
für Produktions- und Trocknungsprozesse 125 – 275 °C
zur Kälteerzeugung 80 – 160 °C
zur Brauchwassererwärmung 75 – 125 °C
zur Wasservorwärmung und 30 – 75 °C
Raumheizung durch Wärmepumpen
Abwärmequellen
Abgase aus Verbrennungs- und Wärmeprozessen 150 – 600 °C
Wasserdampf aus Dampferzeugungssystemen 100 – 150 °C
Prozess-, Trocknungs-, Drucklufterzeugungs-, Kälteanlagen,
40 – 90 °C
warmes Abwasser/Kühlwasser
raumlufttechnische Anlagen 20 – 40 °C
Temperatur in °C
0 100 200 300 400 500 600
1
ORC = Organic-Rankine-CycleKapitel 04/05 Wärme und Kälte 13
Die Abbildungen 8 bis 11 zeigen u. a. für den Bei Latentwärmespeichern findet eine Pha-
Gebäudebereich auf, welche Wärmepoten- senumwandlung des Speichermediums (auch
ziale zur Verfügung stehen und wie diese genannt: Phasen-Wechsel-Materialien) statt.
genutzt werden können. Dabei wurde der Aus volumen- und drucktechnischen Grün-
Temperaturbereich von –160 bis 1.300 °C be- den wird meist die Umwandlung zwischen
trachtet. Im Gebäude selbst wird zwar meist fest und flüssig angewandt, wobei prinzipi-
nur der Niedertemperaturbereich von 0 bis ell auch die Umwandlung flüssig – gasförmig
80 °C Anwendung finden, allerdings sind auch möglich ist. Vorteilhaft bei dieser Speicher-
viele Haushalte an Wärmenetze angeschlos- technik sind das praktisch konstante Tempe-
sen, die Temperaturen im Mitteltemperatur- raturniveau bei der Beladung, Speicherung
bereich (80 bis 350 °C) nutzen und auch Ab- und Entladung, eine höhere Energiedichte als
wärme aus Prozessen bis 1.300 °C einbinden bei sensiblen Speichern und eine konstante
können. Es erschien daher sinnvoll, alle ver- Temperatur bei der Energieabgabe. Mit der
fügbaren Daten zusammenzutragen. Darge- konstanten Temperatur geht allerdings auch
stellt werden zudem einige zweckmäßige An- ein abnehmender Wärmeübergang wäh-
wendungen in Form von Wärmesenken und rend des Entladevorgangs einher (Thess et
für die Solar- und Geothermie praktizierte An- al. 2015).
wendungsbeispiele je nach Technologie. Da
die erzeugte Leistung gegebenenfalls auch ge- Thermochemische Speicher dienen der
speichert werden muss, wurden grobe Tempe- Speicherung von thermischer Energie mittels
raturbereiche für Wärme- und Kältespeicher reversibler chemischer Prozesse. Bei chemi-
ergänzt. schen Prozessen wird oft Mischungs- oder Re-
aktionsenthalpie und damit Wärme frei. Dies
Die notwendigen Technologien für die Wär- bietet den Vorteil, dass die Speicher eine hö-
mewende existieren und werden stetig bes- here Energiedichte gegenüber sensiblen und
ser in Bezug auf ihren Wirkungsgrad und die latenten Wärme- und Kältespeichern erlau-
Möglichkeiten, sie zu recyceln. ben und auch bei langer Speicherdauer keine
thermischen Verluste auftreten.
Möglichkeiten zur Speicherung und Wand-
lung von Wärme und Kälte Carnot-Batterien können sensible, latente
oder auch thermochemische Speicher sein
„Wärmespeicher sind Vorrichtungen zur tem- und sind eine Sonderform der Speichertech-
porären Speicherung von Wärme, die dazu die- nologien, da sie im großen Maßstab (bis zu
nen, Schwankungen von Wärmebereitstellung mehreren Gigawatt) Strom, Wärme und Kälte
und Wärmebedarf auszugleichen“ (BAFA 2020). ein- und ausspeichern können. Zudem kön-
nen feste, flüssige oder auch die Phase wech-
Im Folgenden wurden die Informationen zu selnde Materialien als Speichermedium ver-
Speichertechnologien aus der dena-Studie zu wendet werden.
„renewables – Made in Germany“ (dena 2015b)
aktualisiert und ergänzt.
Sensible Wärmespeicher sind ein weitver-
breiteter Speichertyp. Bei diesen Wärme-
und Kältespeichern erfolgt die Energieauf-
nahme und -abgabe durch Temperaturände-
rung des Speichermediums. Sie können wei-
ter in Wärme- und Kältespeicher mit festen
Speichermedien (z. B. Beton, Erdreich) und
flüssigen Speichermedien (häufig wird Was-
ser verwendet) unterteilt werden. Bei diesen
Speichern erfolgt eine fühlbare Veränderung
der Temperatur durch Erhitzung oder Abküh-
lung.14 dena-Gebäudereport
03 Wärmenetze
Neben den Strategien für eine effizientere Wärme- und Kältenutzung in Gebäu-
den muss für ein klimaneutrales Szenario auch die Wärme- und Kälteerzeu-
gung defossilisiert werden. Dabei spielen Wärmenetze eine wichtige Rolle.
Klimaneutrale Wärme- und Kältewende
Flexible EE-Wärme-Technologien
Ausgleichstechniken und Abwärme
■ Spitzenlastkessel (Bio, Gas, Strom) ■ Geothermie
■ Wärmespeicher/Kälte ■ Solarthermie
■ Elektrokessel ■ Abwärme
Strom-Wärme-Technologien Wärme- und Kältekundinnen
sowie -kunden
■ Wärmepumpen (EE1, Strom)
■ Kälteanlagen/Kühlsysteme: Ab- und ■ Haushalte
Adsorption oder Entfeuchtung ■ GHD
■ KWK2 (EE, Gas, Müll) ■ Industrie
1
EE = erneuerbare Energien
2
KWK = Kraft-Wärme-Kopplung
B Abb. 12: Klimaneutrale Wärme- In Fernwärmesystemen befinden sich sowohl und Verbrauchsinfrastrukturen unterschied-
und Kältenetze der Zukunft, Quel-
die Erzeugungsanlagen als auch die Netze in liche Transformationspfade zulassen. Dabei
le: BMWi 2017, eigene Darstellung
einem Transformationsprozess hin zu einer sollte auf einen Mix von Strom- und Wärme-
klimaschonenderen Versorgung. Um die er- technologien, flexible Ausgleichs- und erneu-
forderlichen zunehmenden Anteile von er- erbare Wärmetechnologien sowie Abwärme
neuerbaren Wärmeerzeugungsanlagen und zurückgegriffen werden.
Abwärme in die bestehenden Infrastrukturen
zu integrieren, ist ein grundlegender Aus- und Der Transformationsprozess Fernwärme
Umbau der Wärmenetze notwendig. Dies be- kann nur in enger Abstimmung mit den zu
trifft neben der Senkung des Temperaturni- versorgenden Gebäuden erfolgen. Das Ziel
veaus, der Dampfnetzumstellung und den ist, den Energiebedarf im Gebäudebestand
weiteren Anpassungen an veränderte Erzeu- durch Sanierungsmaßnahmen zu senken.
gungsströme auch Maßnahmen der Effizienz- Dies wird zukünftig einen Einfluss auf die
steigerung und Digitalisierung. Dabei ist das Wärmebedarfsdichten der zu versorgenden
Zusammenspiel der lokalen Rahmenbedin- Gebiete haben. Somit bilden Wärme- bzw.
gungen entscheidend. So können beispiels- Kältekundinnen und -kunden neben den ver-
weise das verfügbare Flächen- bzw. Ressour- schiedenen Technologie- und Energieträger
cenpotenzial (Tiefengeothermie, Umwelt- optionen einen Eckpunkt innerhalb der Trans-
wärmequellen für Wärmepumpen sowie Ab- formationsstrategie (siehe Abbildung 12).
wärmequellen), die vorhandenen Erzeugungs-Kapitel 04/05 Wärme und Kälte 15
Derzeit werden rund sechs Millionen deut- Es ist zu unterscheiden, ob für das Netz ein
sche Haushalte mit Fernwärme versorgt veröffentlichter Primärenergiefaktor (PEF)
(BDEW 2021a). Dies zeigt die Relevanz von vorliegt oder nicht. Wenn nicht, können
Wärmenetzen im Gebäudebereich auf dem die Pauschalwerte aus der DIN V 18599 ver-
Weg zur Klimaneutralität. wendet werden. Wenn ein ermittelter PEF
vorliegt, darf dieser nur angesetzt werden,
Abbildung 13 zeigt den prozentualen Anteil wenn
der Wärmenetze in Bezug auf die Netzlänge
und das Temperaturniveau. Zu der Netzlän- a) e r nach einer festgelegten Methodik er-
ge finden sich unterschiedliche Werte. So mittelt und
ging das Statistische Bundesamt (Destatis)
im Jahr 2019 insgesamt von einer Netzlän- b) e r vom Fernwärmeversorgungsunterneh-
ge von 28.629 km aus (Destatis 2019), wäh- men veröffentlicht wurde.
rend beispielsweise der Bundesverband der
Energie- und Wasserwirtschaft e. V. (BDEW) Für Netze mit Wärme aus Kraft-Wärme-
im selben Jahr eine Netzlänge von 24.800 km Kopplung (KWK) ist weiterhin die Stromgut-
anführte (BDEW 2019). Für das Jahr 2020 gibt schriftmethode zu verwenden. Die Unter-
der BDEW eine Netzlänge von 30.100 km an grenze für einen ermittelten PEF liegt bei
(BDEW 2021a). 0,3. Dieser Wert kann bei 100 Prozent er-
neuerbarer Abwärme im Netz auf 0,2
gesenkt werden.
Dampf: 110 bis 140 °C
3% Wasser:
30 bis 60 °C
Wasser: unter 30 und 140 °C und höher
1%
sowie Dampf unter 110 °C Wasser:
10 % 60 bis 90 °C
21 %
Wasser:
110 bis 140 °C
31 % D Abb. 13: Prozentualer Anteil der
Wasser: Wärmenetze in Bezug auf die
90 bis 110 °C Netzlänge und das Temperaturni-
veau in Deutschland 2018, Quelle:
34 % Destatis 2019, eigene Darstellung16 dena-Gebäudereport
€
1880: Erste Fernwärmenetze 1880
1974 1974 & 1978: Ölkrisen
Sorge: Energieverknappung
Markteinführung $ Erste Fernwärmenetze mit
$ von leichtem Heizöl & Erdgas Dampf als Wärmeträger und
$ Fernwärme wird wettbewerbsunfähig zeit- und kostenaufwendige
Fernwärmeleitungen in
$ von erdverlegten Kunststoffmantelrohren Kanalbauweise
$ von Heißwasser als Wärmeträger
$ Ausbau (großer) Fernwärmenetze 1977 1977: Energieforschungsprogramm (EFP)
1979: Zukunftsinvestitionsprogramm ZIP 1
1981: Kohleheizkraftwerks- und Fernwär-
meausbauprogramm ZIP 2
35 % Investitionszuschuss und zusätz-
2000: Marktanreizprogramm (MAP) 2000 lich eine Investitionszulage von 7 Pro-
zent
2001 2001: KfW2-Gebäudeprogramme 430 (WG3)
und 276 (NWG4)
CO2-Gebäudesanierungsprogramm
2002: K WK-Gesetz (KWKG) tritt in Kraft und regelt 2002
die Erhaltung, die Modernisierung und den 2008 2008 & 2009: N
ovellen des KWKG
Ausbau der KWK
2011: KfW-Programme 201 & 202 2011 2011 2011: Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz
$ Energetische Stadtsanierung (EEWärmeG): klarere Definition zum
$ Quartiersversorgung Einsatz von Fern- und Nahwärme bei
Kälte- und KWK-Anlagen
2012: Novelle des KWKG 2012
Verbesserung der Förderung von 2016 2016: Novellen des KWKG
$ KWK-Anlagen (BHKWs1 und HKWs)
$ Wärme- und Kältespeichern
$ Kälte- und Abwärmenetzen 2017 2017: Wärmenetze 4.0
2019: Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhr
2019 2019 2019: Bundesförderung für Energieeffizienz in
kontrolle (BAFA): Wärme- und Kältenetze-
der Wirtschaft:
förderung
Modul 1: Querschnittstechnologien
Modul 2: P
rozesswärme aus erneuerba-
2020: Novelle des KWKG ren Energien
Verpflichtung für digitale Wärmezähler 2020 Modul 4: E
nergiebezogene Optimierung
von Anlagen und Prozessen
2020 2020: Gebäudeenergiegesetz (GEG)
2021: Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) 2021
Zusammenführung des
$ CO2-Gebäudesanierungsprogramms
2021 2021: Bundesförderung für energieeffiziente
(insbesondere „KfW-Energieeffizienzpro-
gramm – Energieeffizient Bauen und Sa- Wärmenetze (BEW) (Stand 04/2021: in
nieren“) Planung)
$ Marktanreizprogramms zur Nutzung
erneuerbarer Energien im Wärmemarkt B Abb. 14: Meilen-
steine (in Blau),
$ Anreizprogramms Energieeffizienz Förderprogramme
$ Heizungsoptimierungsprogramms (in Grün) und
Gesetze (in Rot) in
der Geschichte der
Fernwärmenetze,
Quellen: Konstan- 1
BHKW = Blockheizkraftwerk
tin 2018, BDEW 2
KfW = Kreditanstalt für Wiederaufbau
2020a, eigene 3
WG = Wohngebäude
Darstellung 4
NWG = NichtwohngebäudeKapitel 04/05 Wärme und Kälte 17
Fernwärmenetze:
Generationen 1 bis 4
Fernwärmesysteme sind unterschiedlich auf- ten im Netz und begünstigte Korrosionspro-
gebaut und weisen differierende techni- zesse. Beides macht Fernwärmesysteme in-
sche Charakteristika auf. Generell existiert effizient. Ein Risikofaktor bei Dampfleitun-
ein Trend zu niedrigeren Temperaturni- gen ist zudem die Explosionsgefahr.
veaus, einem geringeren Materialaufwand
und der Nutzung von vorgefertigten Wär- 2. Generation:
menetzteilen, wodurch weniger Personal Vor Ort errichtetes System (1930 bis 1980):
beim Bau benötigt wird. Die zweite Generation kam um 1930 auf
und wurde bis in die 1980er-Jahre verbaut.
Die vier Generationen der Entwicklung der Hierbei wurde unter Druck stehendes Heiß-
Wärmenetze sind wie folgt unterteilt und wasser (Vorlauf >100 °C, Rücklauf18 dena-Gebäudereport
Da viele Herstellende solcher Systeme aus 4. Generation:
Nordeuropa kommen, wird diese Genera- „LowEx“ (2020 bis 2050): Wärmenetze be-
tion zum Teil als „skandinavische Fernwär- finden sich momentan aufgrund der An-
metechnologie“ bezeichnet. Technisch ba- forderungen an den Klimaschutz und der
siert dieses System ebenfalls auf Heißwas- damit verbundenen Notwendigkeit für eine
ser (VorlaufKapitel 04/05 Wärme und Kälte 19
Großwärmepumpen und Power-to-Heat Rund 31 Prozent der über Wärmenetze be-
sind wichtige Technologiebausteine, wo- reitgestellten Wärme stammen bereits
durch Wärmenetze der 4. Generation zur heute aus erneuerbaren Energien (Biomas-
Schnittstelle zwischen dem Wärme- und se, biogener Siedlungsabfall und Geo- und
Stromsektor werden. Ziel ist es, vermehrt Solarthermie) sowie Abwärme und nicht
erneuerbaren Strom in der Wärmeversor- biogenem Abfall (BDEW 2021b).
gung zu nutzen. Auch kommt diesen Netzen
durch flexible Ausgleichstechnologien wie
beispielsweise Speichern, Spitzenlast- (Bio-
masse) und Elektrokesseln eine system-
dienliche Funktion zu.
In Deutschland beträgt der Anteil an netz-
gebundener Wärme am Gebäudewärmebe-
darf (Endenergie) momentan ca. 14 Prozent
(BDEW 2020b). Die Fernwärmebereitstel-
lung erfolgt dabei zum überwiegenden Teil
in effizienten KWK-Anlagen, wobei Erdgas C Abb. 16: Wärmeversorgung über
hier der klar dominierende Energieträger Wärmenetze in Deutschland von
der Erzeugung bis zum Verbrauch
ist, gefolgt von Steinkohle (siehe Abbildung 2020, Quelle: BDEW 2021a, eigene
16 und 17). Darstellung
Fernwärme-/ Fernwärme-/
128,6 Verluste 16,3 112,3
-kälteaufkommen TWh/a TWh/a -kälteverwendung TWh/a
22,4 % 4,5 %
18 %
43 %
73,1 % 19 %
81 %
39 %
Sonstige: 5,8 TWh Betriebsverbrauch: 3 TWh Sonstige: 20,3 TWh
Hocheffiziente KWK: 94,0 TWh Verluste und statische Industrie: 43,3 TWh
Differenzen: 13 TWh
Ungekoppelte Private Haushalte
Erzeugung in HW/HKW: 28,8 TWh einschließlich Wohnungs-
gesellschaften: 48,7 TWh
Abfall (nicht biogen):
10,9 TWh
Mineralöl: 1,3 TWh
Braunkohle: Sonstige: 0,6 TWh
7,2 TWh D Abb. 17: Nettowärmeerzeugung
Abwärme: 7,1 TWh zur leitungsgebundenen Wärme-
Steinkohle: erzeugung nach Energieträgern in
17,6 TWh Deutschland 2020, Quelle: BDEW
Biomasse: 11,8 TWh 2021b, eigene Darstellung
Erneuerbare
22,4 TWh
bzw. 17,4 %
Biogener Siedlungsabfall: 9,6 TWh
Erdgas:
61,3 TWh Geo- und Solarthermie: 1,0 TWh20 dena-Gebäudereport
Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis
zu Kapitel 04 zu Kapitel 04
Abbildung 1: Endenergieverbrauch nach Anwendungsberei- Tabelle 1: Flächenkonkurrenz und Erträge von erneuerba-
chen und Energieträgern in Deutschland 2019 ren Energien
Abbildung 2: Gesamter Endenergieverbrauch nach Anwen-
dungsbereichen in Deutschland 2019
Literaturverzeichnis
Abbildung 3: Endenergieverbrauch nach Anwendungs
bereichen in deutschen Haushalten 2019
zu Kapitel 04
Abbildung 4: Anteil der regenerativen Energien am Endener-
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gerufen.Kapitel 04/05 Wärme und Kälte 23
Abkürzungsverzeichnis
AEE Agentur für Erneuerbare Energien NWG Nichtwohngebäude
AGEB AG Energiebilanzen e. V. OECD Organisation für wirtschaftliche Zusammenar-
beit und Entwicklung (engl.: Organisation for
BAFA Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle Economic Co-operation and Development)
BEG Bundesförderung für effiziente Gebäude ORC Organic-Rankine-Cycle
BEW Bundesförderung für effiziente Wärmenetze PEF Primärenergiefaktor
BDEW Bundesverband für Energie- und Wasserwirt- PtH Power-to-Heat
schaft e. V.
PV Photovoltaik
BHKW Blockheizkraftwerk
th thermisch
BMWi Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
TGA Technische Gebäudeausrüstung
CPC Compound Parabolic Concentrator
UBA Umweltbundesamt
Destatis Statistisches Bundesamt
UNEP UN Environment Programme
DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.
WG Wohngebäude
EFP Energieforschungsprogramm
ZIP Zukunftsinvestitionsprogramm
EEWärmeG Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz
ZSW Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-
el elektrisch Forschung Baden-Württemberg
FVEE ForschungsVerbund Erneuerbare Energien
GEG Gebäudeenergiegesetz
GHD Gewerbe, Handel, Dienstleistungen
HW Heizwerk
HKW Heizkraftwerk
IKT Informations- und Kommunikationstechnik
KfW Kreditanstalt für Wiederaufbau
KWK Kraft-Wärme-Kopplung
KWKG Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz
LiBr Lithiumbromid
MAP Marktanreizprogramm
NH3H2O wässrige Ammoniak-Lösungengebaeudereport@dena.de
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