Solarwärmespeicher im Netz braucht Wärmepumpe
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Dronninglund Solarwärmeanlage mit saisonalem Speicher (vorne). FOTO: ARCON SUNMARK
Solarwärmespeicher im Netz braucht Wärmepumpe
Dr. Claus Beneking, Renewable Energy Consultant, Helmholtzstr. 18, D-99425 Weimar
Tel.: +49 (0) 173 8364208, Mail: claus.beneking@gmx.net
In einem Beitrag vom März 2020 wurde eine ganzjährig zu 100% regenerative Ortswärme-
versorgung durch Solarthermie- und (elektrisch betriebene) Wärmepumpeneinspeisung in ein
Nahwärmenetz an zwei konkreten Beispielen vergleichend modellhaft betrachtet (14), wozu
im August 2020 ein Korrekturhinweis veröffentlicht wurde (15). Die solarthermische Modell-
betrachtung wurde nunmehr zur Korrektur um eine elekrische Wärmepumpe ergänzt, wo-
durch auch sie eine Abhängigkeit vom Strompreis erhält. Weitere Charakteristika bleiben
erhalten. Darüber hinaus wird eine von Lesern angestoßene Diskussion zur Übertragbarkeit
des "Dänischen Modells" der Nahwärmeversorgung auf Deutschland und zum weitergehen-
den Vergleich des Einsatzes von Wärmenetzen mit einer Einzelgebäude-Versorgung angeris-
sen, deren detailliertere Betrachtung aber zukünftigen Beiträgen vorbehalten bleibt.
Um die Einheitlichkeit der Betrachtung und den mind. etwa 75 °C) nicht berücksichtigt wurde. Für
Zusammenhang zu erhalten, werden alle Referen- diese Hinweise bedanken wir uns. Bei der realen
zen (1) bis (13), auch nicht nochmals verwendete Dronninglund Anlage erfolgt diese Temperatur-
des Ursprungsbeitrags (14) erneut aufgeführt und anhebung mittels wärmegetriebener Wärme-
neue mit (14)ff. hinzugefügt. Die grundsätzliche pumpen auf Basis eines Bioöl-Brenners (siehe Ref.
Einführung in die Thematik des Beitrags wird nicht (10), T. Schmidt and P.A. Sørensen (2018)), was
wiederholt, hierzu wird auf (14) verwiesen. wir so nicht übernommen haben. Wir werden
Unser Korrekturhinweis (15) lautet: „Einige dazu eine Korrekturbetrachtung in verschiedenen
Leser haben zwischenzeitlich angemerkt, dass in Varianten anbringen und nach Fertigstellung
dem genannten Beitrag der zusätzliche Energie- veröffentlichen.“
bedarf für die Temperaturanhebung der aus dem Dazu nun der Transparenz halber recht aus-
Saisonalspeicher entnommenen Wärme auf das führlich das, was folgt.
erforderliche Niveau des Lastkreises (d.h. auf
1
Vorbemerkungen und Systemauswahl Nach (9), S. 144 ist für den Einkaufspreis des
Bioöls in DL 106 €/MWh anzunehmen, was
In der Tat war in unserer ursprünglichen Fassung vermutlich unter dem dänischen Strompreis lag,
(14) nicht berücksichtigt, dass bei zunehmender aber deutlich über dem in derselben Quelle
Entleerung und damit Abkühlung des Saisonal- angegebenen Einkaufspreis für Erdgas. Im Oktober
speichers dessen Temperatur im Spätherbst unter 2016 wurde lt. (10) (siehe Bildunterschrift der
die Lastkreis- (= Wärmenetz-Vorlaufs-) Tempera- ebenfalls unten gezeigten Abb. K2) in der DL-
tur, im folgenden mit 75 °C angenommen fällt, so Anlage von Bioöl auf Erdgas als Zusatzbrennstoff
dass bei Speichertemperaturen unter 75 °C eine umgestellt, was dort nicht näher begründet oder
Temperaturerhöhung erforderlich ist, für die zu- erläutert wurde, auch nicht ob diese Umstellung
sätzlich Energie aufgewendet werden muss (16). nur temporär oder ab Okt. 2016 permanent war.
Wir gehen im folgenden davon aus, dass die Möglicherweise spielten aber erneut ökonomische
ökonomisch beste Lösung -wie in Dronninglund Gründe eine Rolle.
(DL) auch real angewendet- im Einsatz einer Diese zur Einführung geschilderte, in DL ver-
Wärmepumpe besteht, die die Temperaturan- wendete Lösung der mit Bioöl-Brennern betrieb-
hebung im Lastkreis mit einem um COP verringer- enen Absorptions-Wärmepumpe für die Aufgabe,
ten Energieeinsatz leisten kann. die Wärme aus dem Saisonalspeicher, der sich
Die theoretische Option, den Speicher so groß nach maximaler Füllung im Spätsommer in der
zu machen, dass er nur im Temperaturbereich ob- Heizperiode langsam abkühlt, immer auf der
erhalb der Lastkreis-Temperatur betrieben wird, Vorlauftemperatur von ca. 75 °C in das ange-
halten wir aus wirtschaftlichen Gründen in Über- schlossene Nahwärme-Ortsnetz (den sogenannten
einstimmung mit (16) für nicht weiter betracht- Lastkreis) einzuspeisen, enthält auch den Grund
enswert, auch nicht die alternativ ebenfalls denk- für den beim modellhaften Hochskalieren von rd.
bare direkte Nachheizung des Speicheroutputs 43% (siehe (10,14) und Abb. K2) auf 100% solaren
(elektrisch, mit Erdgas oder dergleichen). Wärme-Deckungsanteil unterlaufenen Fehler:
In den dänischen Publikationen zu DL ist dieses Die Wärmepumpe ist, zumindest in Verbindung
Thema auch explizit adressiert. So wird in (17), mit einem solchen Lastkreis, ein essentielles
einem Bericht über die Planung und erste Systemteil für den Saisonalspeicher, das man nicht
Betriebserfahrungen des DL-Projekts vom März einfach weglassen kann, wie wir es versehentlich,
2015 von PlanEnergi et al. bereits in der Executive um die Biomasseverwendung im Sinne der in (14)
Summary (S. 4) auf die Wärmepumpe einge- geschilderten Szenarien zu vermeiden, in unserer
gangen. Der ursprünglich geplante Einsatz einer Modellbetrachtung angenommen haben.
elektrischen Wärmepumpe wurde wegen deren Die Korrektur enthält deshalb eine Wärme-
"bad economy [...] due to Danisch electricity pumpe, allerdings nach unserer Wahl eine strom-
taxes" offenbar noch kurz vor der Bauentscheid- betriebene, und das angestrebte 100% solare
ung verworfen und stattdessen eine wärmebe- Wärmesystem braucht deshalb auch Strom und
triebene Absorptions-Wärmepumpe (AWP) nicht wie gedacht nur Solarwärme.
eingesetzt. Ob diese Wahl zielführend war, sei Nebenbei bemerkt, zeigt Abb. K1 auch, dass
dahingestellt, vollständig überblicken wir natürlich das Jahreslastprofil der abgenommenen Orts-
die wirtschaftlichen Betriebsdaten der realen DL- wärme in DL deutlich günstiger für einen Solar-
Anlage ab deren Inbetriebnahme im Mai 2014 betrieb als in dem von uns angenommenen Last-
nicht. Aus der Literatur ist bekannt, dass der profil verläuft. In DL beträgt der Wärmebedarf pro
Wirkungsgrad von AWP deutlich hinter dem von Monat auch im Hochsommer noch mehr als 1/3
elektrischen Wärmepumpen zurückbleibt (18,19), der maximalen Winterlast, während in unserem,
und bereits die in der unten gezeigten Abb. K1 einer Publikation von Viessmann (20) entnom-
wiedergegebenen Planungsdaten des Jahres- menen Lastprofil die Sommerabnahme in mehr-
verlaufs der Wärmebeiträge in das DLer Netz eren Monaten unter 10% der Spitzenabnahme im
zeigen auch, dass in fast allen der dargestellten Winter liegt, so dass die direkte Aufnahme der
einzelnen Monate die Primärwärme des Bioöl- hauptsächlich im Sommer erzeugten Solarwärme
Einsatzes in der AWP (violett) sogar die mittels ins Netz bei uns nur in einem sehr geringen
dieser WP aus dem Speicher entnommene Solar- Umfang möglich ist. Wir modellieren also sozu-
Wärmemenge ("Solarwärme zur Absorptions- sagen einen "worst case"!
wärmepumpe"; grün) übersteigt.
2Abb. K1: Monatliche Wärmeproduktion in Dronninglund. Quelle: (9), S. 87/Abb. 28.
Das gleiche Diagramm findet sich (mit englischer Beschriftung) auch in (8) und (17). Nach diesen Publi-
kationen handelt es sich um Planungsdaten (Design figures). Die Ordinateneinheit müsste u.E. lauten
[MWh] statt [MWh/a].
Abb. K2: Energy flow diagram for the SDH plant in Dronninglund, DK , a fuel change from bio-oil to natural gas in
October 2016 is not considered. [Originaltext] Quelle: (10), Abb. 8.
(S)DH - (Solar) District Heating; PTES - Pit Thermal Energy Storage (Erdbecken-Wärmespeicher). Diesem
Diagramm sind aus den gemessenen Istwerten (Monitoring results) 2016 sowohl der auch bereits in (14)
angegebene solare Deckungsanteil von rd. 43% (=14483/33549) als auch der erneuerbare Wärmeanteil
((Summe von Solar+Bio-Öl)/DH Verbauch) von rd. 76% entnehmbar. Außerdem die in der weiteren
Modellierung angenommenen Speicherverluste von 1020 MWh/a. Die unter Bio Oil Boiler (Bio-Öl-
Brenner) angegebenen Jahres-Wärmemengen stellen die Jahresssumme der in den Planungsdaten der
Abb. K1 separat erfassten direkten Wärmebeiträge aus dem Bio-Öl-Heizkessel (oberste türkise Balken)
plus der Primärwärme für die Absorptionswärmepumpe (Bio-Öl; violette Balken) dar.
3Solarthermie-System mit Saisonalspeicher 4. Anders als bei dem Modell ohne WP ist die ins
und elektrischer Wärmepumpe Wärmenetz pro Monat abgegebene Wärmemenge
aber nicht immer identisch mit der dem Speicher
Wie im Ursprungsartikel (14) beschrieben bleibt entnommenen Wärmemenge pro Monat, sondern
unser Fokus entlang der Linie der neueren Ener- nur bei Speicher-Wassertemperaturen ab 75 °C,
gieszenarien des UBA und anderer Gruppen mit was insbesondere im Spätsommer gegeben ist,
Verzicht auf fossile und (Anbau-) biogene Quellen, wenn der Speicher praktisch voll beladen ist. In
so dass wir die in DL eingesetzte Lösung mit der den Monaten, wo die Speichertemperatur unter
Absorptions-Wärmepumpe mit Bioöl- oder 75 °C liegt, muss zusätzliche (elektrische) Energie
Erdgasbrennern nicht übernehmen und stattdes- W in die Wärmepumpe gesteckt werden, um mit-
sen eine elektrische Wärmepumpe in unserem tels der dem Speicher auf dem "unteren Temper-
Modell hinzunehmen. Wenn der Betriebsstrom zu aturniveau" entnommenen Wärme (wir nennen
100% aus den erneuerbaren Quellen PV und sie V wie "Verbrauch" der Solarwärme) die Last-
Windstrom kommt, haben wir wie das UBA kein Wärmemenge L auf dem "oberen Temperatur-
Problem damit. Das solarthermische System ist niveau" (75 °C) zur Verfügung zu stellen. Die
damit nicht mehr zu 100% solarthermisch, aber Speicherentnahme V ist dann kleiner als die ins
wie wir sehen werden immer noch zu hohen Wärmenetz gelieferte Energiemenge L, und es gilt
Anteilen. Im folgenden die Beschreibung des (Formeln römisch nummeriert um Verwechslung
Rechenwegs, gefolgt von den Ergebnissen. mit Referenzen zu vermeiden):
Um unser bisheriges Speichermodell an den L = V+W (I)
zusätzlichen Einsatz der Wärmepumpe anzupas- Um das Modell rechnen zu können, benötigen wir
sen, treffen wir die folgenden Annahmen: einen formelmäßigen Zusammenhang zwischen L
1. Das jahreszeitliche solare Einstrahlungs- und und V bzw. W. Ein solcher ist mit (18) aus der
damit Wärme-Erzeugungsprofil (in % der Jahres- Thermodynamik der WP ableitbar. So ist die Leist-
erzeugung pro Monat; benannt mit E) ist vorge- ungszahl einer Wärmepumpe, englisch Coefficient
geben und bleibt wie gehabt. Quelle dafür ist (20), Of Performance (COP), der Quotient aus der
Abb. B.1.4-2, S. 53. Verändert wird nur (über einen Wärme Qc, die in den Heizkreis abgegeben wird
Multiplikator ME) der absolute Wert der Wärme- (bei uns L), und der eingesetzten Energie W:
erzeugung EM, bis die Wärmemengen absolut zu COP = Qc/W = L/W (II)
der Speichergröße passen (s. 3.). An sich würde dieser Zusammenhang (mit den Gl.
2. Das jahreszeitliche Wärmelastprofil (in % des I und II) bereits ausreichen, um für einen gegeben-
Jahreswärmebedarfs pro Monat; benannt mit L) en fixen COP der Wärmepumpe das Modell rech-
ist ebenfalls vorgegeben und bleibt wie gehabt. nen zu können. Dies würde allerdings dem
Quelle dafür war und ist ebenfalls (20), Abb. B.1.4- betrachteten System, in dem der Saisonal-Wärme-
2, S. 53. Verändert wird nur (über einen Multi- speicher in der Wärmepumpen-Nomenklatur so-
plikator ML) der absolute Wert der Wärmelast LM, zusagen als "Reservoir" für die auf dem "unteren
bis die Wärmemengen absolut zu der Temperaturniveau" entnommene Wärme dient,
Speichergröße passen (s. 3.). im Vergleich zu Systemen, wo das Reservoir bei-
3.a Der Speicherfüllstand soll maximal 5,4 Mio. spielsweise ein immer kalter Erdboden ist, nicht
kWh (bei 90 °C Wassertemperatur im Speicher) gerecht. Der COP ist nämlich neben dem absolut-
und minimal Null (bei 10 °C Wassertemperatur im en Temperaturniveau insbesondere von der
Speicher) betragen.1 Das sind die Größe und Differenz zwischen der "unteren" Temperatur des
Betriebsparameter des DL-Saisonalspeichers, um Reservoirs und dem "oberen" Temperaturniveau
den herum das Modell "gestrickt" ist. der Last abhängig und umso größer, je geringer
3.b Der absolute Wärmeverlust aus dem Speicher die Differenz zwischen diesen beiden Temperatur-
über ein Jahr bleibt wie in Dronninglund gemessen en ist. D.h. um eine gegebene Last-Wärmemenge
((10), s.a. Abb. K2) und auch im bisherigen Modell (L in unserer Nomenklatur) bereitzustellen, muss
angenommen bei 1,02 Mio. kWh. durch die Entnahme aus dem in vielen Monaten
noch warmen Saisonalspeicher relativ weniger
1 Einsatzenergie der WP (bei uns W) aufgewendet
Im realen Speicher ist die Wassertemperatur geschichtet,
siehe dazu im Detail Ref. (10). Von uns angegebene Tempera- werden als aus einem kalten Reservoir.
turen sind den Füllstand repräsentierende Mittelwerte.
4Die Temperaturabhängigkeit des COP drückt sich Zur tatsächlichen Anwendung der beschriebenen
nach der Thermodynamik (siehe (18)) in folgenden Formeln in dem Rechenmodell sind noch einige
Gleichungen aus. Sie beträgt theoretisch maximal: weitere Annahmen zu treffen bzw. Anmerkungen
COPmax = Tw/(Tw-Tk) (III), mit zu machen:
Tw = Twarm oder "obere Temperatur", auf der die - Wir rechnen durchgängig mit einem Gütegrad
Wärme in den Heizkreis abgegeben wird, der Wärmepumpe ηwp = 0,50 als Mittelwert der
Tk = Tkalt oder "untere Temperatur", Temperatur Spannbreite von 0,45 bis 0,55 nach (18).
auf der Wärme aus einem kälteren Reservoir -bei - Wir berechnen in jedem Monat den "Multiplika-
uns dem Speicher- entnommen wird, tor" mit Gl. (IX) zur Bestimmung der Speicher-
beide als absolute Temperaturen (in K) anzugeb- Wärmeentnahme V aus der ins Wärmenetz zu
en, wobei es bei (Tw-Tk) nicht darauf ankommt, liefernden Wärmemenge L mit dem ΔT zwischen
ob diese Differenz in K oder °C bestimmt wird. der Speichertemperatur am Monatsanfang (die
Kurz bezeichnen wir (Tw-Tk) als Temperatur- aus dem Speicherfüllstand am Monatsanfang =
differenz ΔT: Speicherfüllstand am Ende des Vormonats berech-
net wird) und der Lastkreis-Temperatur Tw = 75°C.
(Tw-Tk) = ΔT (IV)
Es wurde nicht untersucht, ob dieses Verfahren zu
Tatsächlich erreichen elektrische WP in der Praxis größeren systematischen Fehlern führt. So ist die
nicht die theoretisch mögliche Leistungszahl Rechnung aber "stabil" ohne Zirkelbezüge.
COPmax, sondern Realwerte, die sich als Produkt
- Negative ΔT würden in Monaten auftreten, wo
aus dem COPmax und dem sog. Gütegrad ηwp
die Speicher-Anfangstemperatur > 75 °C ist. Das
ergeben, der typ. zw. 0,45 und 0,55 liegt (18):
wird im Programm dadurch vermieden, dass mit
COP = COPmax*ηwp (V) der Formel ΔT = [0,5*(Tw-Tk) + 0,5*ABS (Tw-Tk)]
Aus Gleichsetzung von (II) und (V) erreichen wir statt (IV) negative ΔT ausgeschlossen werden.
mit (III) und (IV) den gesuchten formelmäßigen Wenn Tk > Tw ist, ergibt sich daraus ΔT = 0 und
Zusammenhang zwischen L und W: der Multiplikator wird 1, was impliziert, dass V = L
L/W = (Tw/ΔT)*ηwp (VI), oder und W = 0 werden. D.h. die Lastwärme kommt
L = [(Tw/ΔT)*ηwp]*W (VII), oder dann korrekterweise nur aus dem Speicher ohne
Wärmepumpeneinsatz.
W = L*(1/[(Tw/ΔT)*ηwp])
- Der Speicherfüllstand S verändert sich wie in
= L*([ΔT/Tw]*[1/ηwp]) (VIII)
dem Modell ohne WP jeden Monat um (E-V), so-
und mit (I) und (VIII) auch den Zusammenhang wie einen prozentualen Speicherverlust, der eben-
zwischen L und V: falls -wie auch der Speicher-Anfangsfüllstand S0
V = L-W = L*(1-([ΔT/Tw]/ηwp)) im Januar- ein variierbarer Modellparameter ist.
= L * "Multiplikator" (IX) Mit diesem Modell variieren wir dann in mehreren
womit die Speicherentnahme V bei einem gegeb- Iterationszyklen die beschriebenen Multiplikator-
enen L in Abhängigkeit von ΔT, Tw und ηwp ein- en ME, ML, den Speicher-Anfangsfüllstand S0 im
deutig festgelegt ist. Tw ist dabei bei uns immer Januar und den prozentualen monatlichen
die Lastkreis-Temperatur (Wärmenetz-Vorlauf) Speicherverlust, bis der Speicher-Endstand S am
von 75 °C = 348 K, Tk die mit dem Füllstand ein- Jahresende leicht über dem Speicher-Anfangs-
deutig verknüpfte Speichertemperatur und ΔT die füllstand S0 im Januar liegt, der Speicherfüllstand
Differenz der beiden. zwischen nahezu Null und 100% (= 5,4 Mio. kWh)
Die jeweils erforderliche elektrische Einsatz- verläuft und der Speicherverlust im Gesamtjahr
energie W der Wärmepumpe ermitteln wir mit möglichst genau 1,02 Mio. kWh beträgt.
(VIII) oder, da wir V mittels (IX) zuerst berechnen, Das so gewonnene Arbeitsergebnis liefert die
einfacher mit (I) als Daten für die korrigierten Grafiken und Kasten-
W = L-V (X) texte nach der Ergänzung der Modellbetrachtung
Wobei in dem so ermittelten W deren Abhängig- Solarthermie mit Saisonalspeicher um eine elek-
keit von dem Abstand der Speichertemperatur zu trische Wärmepumpe wie im folgenden darge-
der Lastkreistemperatur (75°C) wie beabsichtigt stellt. Die Fallbetrachtung der Großwärmepumpe
enthalten ist. mit Tiefengeothermie (14) wurde nicht geändert.
5Speicherfüllstand S (Monatsende);
die Speichertemperatur verläuft zw.
10 °C (End. Mrz.) und 90 °C (End. Sep.)
Speicherfüllstand bei
Lastkreis-Temperatur (75 °C)
Wärmeabgabe L
an Lastkreis (Wärmenetz)
Beitrag der WP W
Entnahme V
aus Speicher Wärmeerzeugung E (jew. pro Monat)
vom Solarthermiefeld
Abb. K3: Korrektur von Abb. 1 des Ursprungsbeitrags (14). Jahreszeitlicher Verlauf von solarer Erzeugung E,
Speicherfüllstand S und Wärmeabgabe L pro Monat im Ergebnis der Modellierung einer solarthermischen
Anlage mit 60.000 m³ Saisonalspeicher wie in Dronninglund (DK) und daran angepasstem 22.000 m²
Kollektorfeld. Zur Korrektur wurde der Modellbetrachtung eine Wärmepumpe (WP) hinzugefügt, wodurch
auch bei geringeren Speicherfüllständen mit dementsprechend niedrigeren Speichertemperaturen eine
Wärmeabgabe in den Lastkreis auf dem erforderlichen Temperaturniveau von stets 75 °C erreicht wird. Der
jahreszeitliche Verlauf der Beiträge der Wärmepumpe (eingesetzte Energie W) und der dem Saisonalspeicher
entnommenen Solarwärme V zu der an den Lastkreis abgegebenen Wärmemenge L ist ebenfalls dargestellt.
Ergebnisse von W und V an L jeweils aus den Speichertem-
peraturen (korrespondierend mit den Füllständen)
Die wichtigsten Egebnisse der Modellierung des am Monatsanfang, d.h. für Dez. dem von Ende
Solarthermie-Systems mit Saisonalspeicher und Nov. bestimmt und festgehalten werden, der mit
elektrischer Wärmepumpe sind in Abb. K3 knapp 4 Mio. kWh noch hoch war.
dargestellt. Auf den ersten Blick gleichen die Der in der Rechnung bestimmte variable COP
Jahresverläufe von solarer Erzeugung E, Speicher- (nicht dargestellt) nimmt mit abnehmender
füllstand S und Wärmeabgabe L den fehlerhaft Speichertemperatur von Januar bis April (da hier
ohne Wärmepumpe berechneten in Abb. 1 des mit Monatsendstand vom März die niedrigste
Ursprungsbeitrags (14). Im Detail gibt es aber Speichertemperatur eingeht) von rd. 5,5 auf rd.
wichtige Unterschiede. So ist in allen Monaten, in 2,7 ab, womit sich der relative Anteil von W an L
denen die Speichertemperatur unter 75 °C liegt, von unter 20% im Januar auf über 35% im April
jetzt zusätzlich zu der Entnahme V aus dem erhöht um dann ab Mai mit steigendem Speicher-
Saisonalspeicher der Beitrag W ersichtlich, der als füllstand / steigender Speichertemperatur bis zum
(elektrische) Einsatzenergie der Wärmepumpe Sommer wieder auf null abzunehmen. Wobei zum
zusätzlich aufgewendet werden muss, um die Sommer hin auch die Wärmelast L saisonal bed-
Wärme im Lastkreis immer mit 75 °C zur Verfüg- ingt ihren Tiefststand erreicht.
ung zu stellen. Dies ist vor allem in den Monaten Das 22.000 m²-Solarfeld passt unverändert, der
Januar bis Mai der Fall, wobei die Speicher- Solarertrag (nach Verlusten) bleibt fast gleich mit
temperatur bis Ende März auf den Tiefststand von 9,35 Mio. kWh. Die ins Netz abgegebene Jahres-
10 °C fällt. Im Dezember ist der WP-Beitrag noch Wärmemenge erhöht sich aber um die Einsatz-
gering, was sich in unserem Rechenverfahren wie energie der WP (im Gesamtjahr 2 Mio. kWh) auf
oben beschrieben daraus ergibt, dass die Anteile 11,34 Mio. kWh ggü. 9,66 ohne WP (14).
6Solarthermische Ortswärmeversorgung Die im Kastentext gezeigten wirtschaftlichen
Modellbetrachtung einer zu hohen Anteilen Eckdaten der solarthermischen Orts-Wärmever-
solarthermischen Ortswärmeversorgung auf Basis sorgung ändern sich durch die zuvor beschriebene
der Daten eines in Dronninglund (DL; DK) real exis- Einbeziehung der strombetriebenen Wärmepum-
tierenden großen Saisonalwärmespeichers. pe in mehreren Punkten:
Um zu jeder Zeit die Wärmeabgabe sicherzustel- - Die Ortswärmeversorgung ist nicht mehr zu
len, wird wie auch in DL bei Speichertemperaturen
100% solarthermisch, sondern "nur" noch zu
unterhalb der Lastkreistemperatur eine Wärme-
hohen Anteilen - in unserem Modellfall zu 82,5%.
pumpe (WP) zur Temperaturanhebung eingesetzt.
- Die Investition erhöht sich von 7,4 auf 8,1 Mio. €
Kosten und Wirtschaftlichkeit (für Dänemark; Vergleichszahlen jeweils aus (14)).
Die Modellbetrachtung zeigt, dass Solarthermie in El. WP Dim. 3 MW s. (17), S. 4; Inv. (9), S. 143.
Kombination mit einem kostengünstigen, hinreich- - Der auf die Wärmeabgabe bezogene Wärme-
end großen Saisonalspeicher eine wirtschaftlich preisanteil aus der Investition verringert sich
attraktive Option für eine zukunftsorientierte treib- dennoch von 3,8 auf 3,54 Ct/kWh, weil sich die
hausgasneutrale Ortswärmeversorgung sein kann. Wärmeabgabe an den Lastkreis durch die Einsatz-
Da wir den in DL gewählten Einsatz einer Bioöl- energie der Wärmepumpe (Strom!) von 9,66 (14)
betriebenen Absorptionswärmepumpe zur Tempera-
auf 11,34 Mio. kWh/a erhöht.
turanhebung nicht übernommen haben und in unse-
rem Modell eine elektrische WP annehmen, ergibt - Dafür erhalten allerdings die Wärmegestehungs-
sich auch hier eine Abhängigkeit vom Strompreis. kosten (WGK; Vollkosten vor Wärmenetz und
Die angegebenen Investbeträge beziehen sich auf ohne Förderung) einen Stromkostenanteil für den
eine Errichtung in Dänemark (DK). Für Deutschland Betrieb der elektrischen Wärmepumpe und
(DE) rechnen wir mit einem pauschalen Aufschlag vergrößern sich mit einem als Beispiel angenom-
von 50%, der als Untergrenze anzusehen ist. menen Strompreis von 10 Ct/kWh für die Fallbe-
Herleitung und Referenzen siehe Haupttext.
trachtung Dänemark von 4,6-4,8 (ohne WP; (14))
auf (mit WP) 6,1-6,3 Ct/kWh. Für Deutschland mit
Investition (Dänemark)
Kollektorfeld (22.000 m², rd. 15 MWth,, 165 €/m )
2 einem pauschalen Aufschlag von 50% (nur auf die
incl. Aufständ.,Verrohrung, Anschluss 3,7 Mio. € Investition, s. Anm.*!) auf 7,9-8,1 Ct/kWh.
Saisonalspeicher (60.000 m³, 38 €/m³) 2,3 Mio. € Als Spontananmerkung vor jeder weiteren Diskus-
Wärmepumpe (3 MW, 225.000 €/MW) 0,7 Mio. € sion sei kurz festgehalten, dass die beabsichtigten
Tagesspeicher + weit. Hilfsaggregate 1,0 Mio. € Ziele einer ohne fossil-atomare und biogene
Zusatzkosten (5% vom Invest) rd. 0,4 Mio. € Einsatzenergien auskommenden Ortswärmever-
Gesamtinvest ohne Förderung (DK) 8,1 Mio. €
sorgung durch Hochfahren des Solaranteils in
Solarertrag (nach Speicherverlusten) 9,35 Mio. kWh/a Verbindung mit einem real funktionierenden
Beitrag der WP (= Strombezug) 1,99 Mio. kWh/a Saisonal-Wärmespeicher (unter der Voraussetz-
Wärmeabgabe an Lastkreis (LK) 11,34 Mio. kWh/a ung, dass z.B. Strom aus Windkraft und PV zum
WP-Betrieb verwendet wird) auch mit der Korrek-
Wärmepreis aus Investition (Dänemark) tur durch die Wärmepumpen-Hinzunahme weit-
(25 Jahre, Zins 1,85%) 3,54 Ct/kWh gehend erreicht werden. Der Solaranteil beträgt in
Strombezugskosten bez. auf Wärmeabgabe unserer Betrachtung zwar nicht mehr 100%, wür-
an LK mit Strompreis 10 Ct/kWh 1,76 Ct/kWh de aber mit immerhin 82,5% noch über dem in
weit. jährl. Betr.- u. sonst. Kost.* 0,8-1,0 Ct/kWh Dronninglund 2016 erreichten, ebenfalls hervor-
*Werte aus (13) f. Mengsberg, d.h. für DE; werden so auch für DK ragenden 76% erneuerbaren Wärmeanteil aus
angenommen. In (14) irrtüml. f. DE wie Inv. m. 50% beaufschlagt.
Solarthermie und Biomasse (Bioöl) zusammen
Vollkosten Solarthermie (Dänemark) liegen (s.a. Abb. K2), wenn sich die Modellbe-
(vor Wärmenetz, ohne Förderung) 6,1-6,3 Ct/kWh trachtung so wie berechnet umsetzen ließe.
Vollkosten Solarthermie (Deutschland) Inv. +50%
Zum Abschluss zeigt Abb. K4 noch in Korrektur
(vor Wärmenetz, ohne Förderung) 7,9-8,1 Ct/kWh von Abb. 3 des Beitrags (14) die Abhängigkeit der
Wärmegestehungskosten vom Strompreis für die
Korrigierter Kastentext mit betriebswirtschaftlichen Fälle Solarthermie in Deutschland und Dänemark
Eckdaten einer solarthermischen Orts-Wärmever- (jetzt beide mit WP) und die Großwärmepumpe
sorgung unter Einbeziehung einer Wärmepumpe. mit Tiefengeothermie (wie gehabt).
7Großwärmepumpe
mit (Tiefen-) Geothermie
Literaturwerte*
Solarthermie m. WP
Deutschland
Solarthermie m. WP
Dänemark
*Literaturwert bei Strompreis
15 Ct/kWh aus Extrapolation
(siehe Text)
Abb. K4: Korrektur von Abb. 3 des Ursprungsbeitrags (14). Wärmegestehungskosten einer Großwärmepumpe
(GWP) mit Tiefengeothermie (TGT) und aus Solarthermie, jetzt mit Wärmepumpe wie im Text beschrieben für
Errichtung in DK und DE als Funktion des Strompreises nebst Literaturwerten für GWP mit Tiefengeothermie aus
Schäfer et al. (12). Die Strompreis-Variation erfolgte dort zwischen 8 und 14 Ct/kWh, woraus wir den Wert für
15 Ct/kWh extrapolierten. Die Fallbetrachtung der GWP mit TGT wurde ansonsten ggü. (14) nicht geändert.
Unmittelbare Diskussion Betriebskosten der Wärmepumpe ein bedeuten-
der Kostenfaktor sind. Mit 106 € pro MWh (das
Die unmittelbare Diskussion gilt den Ergebnissen entspricht 10,6 Ct/kWh) Einkaufspreis nach (9)
der Korrekturrechnungen wie bis hier dargestellt kostet Bioöl pro kWh nach den genannten Refer-
im Vergleich zu den Ergebnissen aus (14) vor der enzen mehr als die Solarwärme im Dronning-
Korrektur, während die nachfolgende weiterführ- lunder Mix, und die mit Bioöl erzeugten Wärme-
ende Diskussion, angeregt durch Zuschriften inter- mengen (dies sind die oberen beiden Balken in
essierter Leser auch die Sinnhaftigkeit der unser- Abb. K1) sind dazu noch relativ groß.
em Beitrag zugrunde liegenden Anwendung der Die Einsatzenergie für die Wärmepumpe muss
Solarthermie statt nur Wärmepumpe und eines halt bezahlt werden, ob Strom oder Bioenergie,
Wärmenetzes zur Ortswärmeversorgung und das ist mit dem hier gegebenen Nahwärmesystem
damit das "Dänische Modell" als solches anspricht. grundsätzlich verbunden. Am Ende steht und fällt
Die betriebswirtschaftlichen Zahlen in dem der Wärmepreis mit den Investitionen, die wie
neuen Kastentext und Abb. K4 zeigen auf jeden man am Beispiel DK vs. DE sieht landestypisch
Fall, dass in unserem gewählten Beispielfall mit unterschiedlich sein können, und mit dem Preis
der Erfordernis, die gespeicherte Solarwärme wie für den Strom- oder alternativen Energieeinkauf.
in Dronninglund stets auf dem hohen Temperatur Ein Vorteil des solarthermischen Systems bleibt
des Wärmenetz-Lastkreises abzugeben die solar- auch mit Wärmepumpe im Vergleich zu einer nur-
thermischen Wärmegestehungskosten durch die Wärmepumpen Lösung dabei, dass durch die im
dafür eingesetzte Wärmepumpe (mit Invest- und Speicher jedenfalls für etwa die Hälfte des Jahres
Betriebskosten) höher werden und sich denen des vorhandenen erhöhten Reservoir-Temperaturen
gewählten GWP-TGT Beispiels einer nur-Wärme- zu diesen Zeiten keine oder nur deutlich weniger
pumpen Lösung annähern. Wärmepumpen-Einsatzenergie anfällt und die
Schon teilweise zitierten Angaben und "Zwisch- Abhängigkeit von deren (in unserem Fall Strom-)
en-den-Zeilen-Anmerkungen" in (9), (10) und (17) Preis deshalb geringer ausfällt. Solarthermie lohnt
lässt sich entnehmen, dass auch in der bisherigen sich damit umso mehr, je teurer der Strom ist.
realen Dronninglund-Nahwärmeversorgung die Dazu mehr in der weiterführenden Diskussion.
8Weiterführende Diskussion einen Saisonalspeicher, alternativ aber auch für
Erd- oder Wassersonden oder sogar Geothermie
Eine weiterführende Diskussion zur wirtschaftlich- für WP und Flächen für etwaige Eigenstrom-
en Wettbewerbsfähigkeit einer solarthermischen erzeugung mittels Windkraft- und PV-Anlagen zur
oder allgemein regenerativen, CO2-freien Wärme- Verfügung, was sich auch auf die Kosten des ein-
versorgung im Energiewirtschaftssystem mit zusetzenden Stroms auswirken würde?
herkömmlichen fossilen und anderen Erzeugern, - Nationale Potenziale und Strategie: Welche
sowie die Rolle verschiedener Einflussgrößen und Flächenpotenziale, Solar- und Windressourcen,
Rahmenbedingungen wie Förderprogramme und aber auch Wasserkraft- und geothermische
auch einen damals noch zukünftigen, ab diesem Ressourcen stünden für ein nationales "Mainly
Jahr existierenden CO2-Preis haben wir bereits im Electric" Energiesystem zur Verfügung, um den
Ursprungsbeitrag (14) angeschnitten. Dieses Strombedarf sowohl für allgemeine Zwecke als
Thema wollen wir hier nicht erneut aufgreifen. auch für Wärme mittels Stromwärmepumpen und
Die folgenden, durch interessierte Leser ange- E-Mobilität zu decken? Welche Energiestrategie
stoßenen Überlegungen sind, näher an unserem verfolgt ein Land insgesamt, eher zentral oder
engeren Thema bleibend, mehr der Frage gewid- eher dezentral mit Orts- bis hin zu Einzelgebäude-
met, wie eine CO2-neutrale und ressourcen- versorgungen oder eine kombinierte (oder keine!)
schonende Wärmeversorgung zukünftig am bes- Strategie? Wird in Abhängigkeit von den Ressour-
ten gestaltet werden sollte, und welche Rolle das cen oder aus allgemein-strategischen Gründen
von uns als Grundlage unserer Modellbetracht- angestrebt, die "Stromwelt" von der "Wärmewelt"
ungen gewählte dänisch-typische Nahwärmesys- zu entkoppeln oder strebt man wie in neueren
tem in diesem Kontext spielen könnte und sollte. deutschen Szenarien verschiedener Institutionen
Eine Frage, deren Gesamtkontext umfangreich (siehe (14)) eher eine "All Electric Society" (siehe
und komplex ist und zu der wir uns auf einige dazu (21)) an, und wie ist der Zeitplan?
explizit angerissene Themen beschränken, und im Die hier aufgeworfenen "großen Fragen" können
übrigen weitergehende Analysen, Diskussions- wir über einige bereits in der Schlussdiskussion
Statements und Bewertungen herzlich einladen. des Ursprungsbeitrags (14) angesprochene
1. Warum Solarthermie und nicht nur Strom-WP? Gesichtspunkte hinaus unmöglich beantworten.
Eine erste gute Frage lautet, wozu man den Auf- Lediglich zum ersten Spiegelstrich betreffend
wand eines komplexen solarthermischen Systems Frage 1. stellen wir über die Korrektur von (14)
mit Kollektorfeld und großem Saisonalwärme- hinausgehend noch die Ergebnisse zweier Modell-
speicher leistet, wenn man am Ende ohnehin eine variationen vor, die wir mit unserem Programm
elektrische Wärmepumpe einsetzt und der teure interessehalber zusätzlich gerechnet haben.
Saisonalspeicher im wesentlichen nur als Wärme- So haben wir im Sinne der Frage 1. ohne
reservoir auf dem unteren Temperaturniveau weitergehende wirtschaftliche Analyse unter-
dient, ähnlich wie zum Beispiel ein Wasserlauf sucht, welche Einsatzstrombeträge für die
oder eine Erdsonde. Warum die Wärme dann Wärmepumpe erforderlich wären, wenn man nur
nicht gleich nur mit Wärmepumpe und PV-/ mit ihr ohne jeden Solarteil (auch ohne Speicher)
Windstrom erzeugen? dieselbe Ortslast von 11,34 Mio. kWh (vor Wärme-
Die Antwort auf diese Frage lässt sich aus netz) wie im Solar+WP-Modellfall, immer auf dem
unserer Sicht nicht pauschal geben, da für eine Temperaturniveau von 75 °C und mit demselben
solche Auswahl viele Faktoren aus unterschied- Jahresverlauf aus (20) bereitstellen wollte. Dabei
lichsten Bereichen eine Rolle spielen. So zum steht dann für den Wärmeentzug kein "warmes
Beispiel: Reservoir" zur Verfügung, sondern es wird wie bei
WP zu Heizzwecken der Regelfall die Umgebung
- Betriebswirtschaftliche: Wie hoch sind die ver-
abgekühlt, d.h. zusätzlich zur Einsatzenergie Strom
schiedenen Invest-Beiträge und die Einkaufspreise
Umgebungswärme genutzt. Wie, d.h. mit Erdson-
für Hilfsenergien wie Strom oder Biomasse an/in
den, Luft-Wärmetauscher oder dergleichen lassen
einem gegebenen Standort/Land?
wir hier offen, es geht dabei zunächst nur um die
- Geografische/geologische: Welche Flächen und Quantifizierung der erforderlichen Strommengen
sonstigen Gelände-Gegebenheiten stehen um eine im Vergleich zu Solarthermie+WP.
Siedlung herum für ein Solarkollektorfeld und
9Solarthermie m. Saisonalspeicher u. Wärmepumpe jeweils das ganze Jahr über gleich bleibt, da sich
unteres und oberes T-Niveau anders als mit dem
absolut prozentual Saisonalspeicher nicht verändern), und einem WP-
Solarertrag 9,35 Mio. kWh/a 82,5%
Gütegrad von immer ηwp = 0,50. Bei a) beträgt
Beitrag der WP
(= Strombezug) 1,99 Mio. kWh/a 17,5% der COP rund 2,7 wie im Monat des niedrigsten
------------------------ Anfangs-Speicherfüllstands (d.h. leerem Speicher)
Wärmeabgabe an LK 11,34 Mio. kWh/a bei dem Solarthermie-SSP-WP-System (April) -
klar, da Tk in beiden Fällen = 10 °C, bei b) sogar
Strombezugskosten bez. auf Wärmeabgabe an Last- nur noch rund 2,3 (Tk = 0 °C, damit für eine WP
kreis (LK) mit Strompreis 10 Ct/kWh 1,76 Ct/kWh auf Tw = 75 °C schon ein ziemlicher Hub!).
Mit dem in beiden Fällen a) und b) mehr als
nur Wärmepumpe a) (Umgebungstemperatur 10 °C) doppelt so großen Stromanteil an der Wärmelie-
absolut prozentual ferung verglichen mit dem Solarthermie-System
Umgebungswärme 7,10 Mio. kWh/a 62,6% vergrößert sich auch der Stromkosten-Anteil an
Beitrag der WP den Wärmegestehungskosten auf mehr als das
(= Strombezug) 4,24 Mio. kWh/a 37,4% Doppelte. Die Abhängigkeit vom Strompreis ist
------------------------ deshalb wie schon am Ende der unmittelbaren
Wärmeabgabe an LK 11,34 Mio. kWh/a Diskussion festgehalten bei den nur-WP Systemen
größer als bei dem Solarthermie-SSP-WP-System,
Strombezugskosten bez. auf Wärmeabgabe an Last- und in einer grafischen Darstellung dieser Abhäng-
kreis (LK) mit Strompreis 10 Ct/kWh 3,74 Ct/kWh
igkeiten wie in Abb. K4 würden sie steiler als die
nur Wärmepumpe b) (Umgebungstemperatur 0 °C) Geraden für Solarthermie mit WP verlaufen, eher
absolut prozentual so wie der Verlauf der dort gelb gezeigten Strom-
Umgebungswärme 6,45 Mio. kWh/a 65,9% preis-Abhängigkeit für das ebenfalls nur-WP-
Beitrag der WP System mit Großwärmepumpe und Tiefengeother-
(= Strombezug) 4,89 Mio. kWh/a 43,1% mie (GWP+TGT).2 Den genauen Verlauf können
------------------------ wir wegen fehlenden Angaben bzw. Annahmen
Wärmeabgabe an LK 11,34 Mio. kWh/a zum Invest (s.u.) momentan nicht darstellen.
Die nur-WP Fallbetrachtungen a) und b) sind an
Strombezugskosten bez. auf Wärmeabgabe an Last-
sich sogar wegen dem gleichen oberen Tempera-
kreis (LK) mit Strompreis 10 Ct/kWh 4,31 Ct/kWh
turniveau Tw = 75 °C und gleichem Berechnungs-
Oben: Wärmeanteile und Strombezugskosten des schema für den WP-Betrieb vergleichbarer mit
schon beschriebenen Solarthermie-Systems mit "unserem" Solarthermie-SSP-WP System als die
Saisonalspeicher (SSP) und Wärmepumpe (WP), bereits in (14) zum Vergleich gewählte GWP+TGT-
hier wiederholt zum Vergleich.
Fallstudie, die andere T-Niveaus und WP-Charak-
Unten: Wärmeanteile und Strombezugskosten zweier
Modellvarianten, die mit ansonstem gleichem teristika beinhaltet. Auf die weitere Berechnung
Rechenschema dieselbe Jahreswärmemenge und Darstellung der Fallstudien a) und b) verzich-
(11,34 Mio. kWh) in das Ortswärmenetz liefern ten wir hier dennoch, weil wir im Unterschied zu
wie das Solarthermie-SSP-WP-System, aber nur mit der GWP+TGT-Fallstudie nicht wissen, welche
Wärmepumpe alleine ganz ohne Solarteil, davon Annahmen betreffend Kosten, Flächenbedarf u.a.
a) ausgehend von einer Umgebungstemperatur wir zu der neben der WP selbst noch erforder-
von 10 °C, b) von 0 °C. Näheres siehe Text. lichen Vorrichtung zur Aufnahme der Umgebungs-
Diese Rechnung erfolgte für die zwei Varianten wärme treffen sollten. Diese wären von der
eines "unteren Temperaturniveaus", a) von 10 °C Geographie und Geologie der Umgebung und
und b) von 0 °C, um die Situation der kälteren weiteren Auswahlaspekten abhängig. Damit fehlt
Umgebung zur Zeit des hauptsächlichen Wärme- ein vermutlich wesentlicher Bestandteil des In-
bedarfs im Winter zu erfassen. Ansonsten folgen vests. Bei den nur-WP-Systemen ist es vordergrün-
Rechnung und Parameter dem im Abschnitt dig zunächst kleiner. Man darf aber nicht nur die
"Solarthermie-System mit Saisonalspeicher und relativ günstige WP alleine betrachten.
elektrischer Wärmepumpe" beschriebenen
Schema mit dem von ΔT abhängigen COP (der 2
Der Grund dafür, dass die von uns hierzu berechneten WGK
damit für die Varianten unterschiedlich ist, aber (gelb in Abb. K4) über den Literaturwerten liegen, ist unsere
Umrechnung auf ein anderes Lastprofil (s. (14), Abb. 2).
10Statt die nur-WP Lösungen wegen ihrem größeren Wärmepumpe einsetzt: "Warum dann noch Solar-
Strombedarf, der damit größeren Abhängigkeit thermie?" In Richtung des 2. Statements wird
vom Strompreis, noch zu definierenden Entnah- daran anschließend dann die Frage gestellt, ob
mearrangements für die Umgebungswärme oder eine elektrische Wärmepumpe als Hauptwärme-
evtl. fehlenden Potenzialen für PV- und Windkraft- erzeuger überhaupt mit einem Wärmenetz kombi-
Aufstellflächen wie bis hierhin eher skeptisch zu niert werden sollte. Energetisch dürfte es in aller
diskutieren, könnte man -auch das ein sehr guter Regel weitaus vorteilhafter sein, die Gebäude ein-
Leserhinweis in der Korrespondenz- die Zahlen der zeln mit WP zu versorgen. Selbst ohne Dämmung
letzten Tabelle auch ohne weiteres positiv für und Niedertemperatur-Heiztechnik [Anm.: d.h. im
diesen Weg interpretieren, indem man daraus Bestand] seien Lösungen auf der Ebene der Einzel-
abliest: "Im nur-WP-Fall a) (Tk = 10 °C) muss man gebäude in der Regel effizienter und emissions-
nur 2,25 und im nur-WP-Fall b) (Tk = 0 °C) nur 2,9 ärmer. Und auch auf der Ebene von Einzelgebäud-
Mio. kWh mehr Strom einsetzen, um einen solar- en sei Solarthermie hinsichtlich ihres Dekarboni-
thermischen Beitrag von 9,35 Mio. kWh der Solar- sierungspotenzials mit der Kombination von WP
thermie+SSP+WP-Anordnung einzusparen! Das und PV nicht konkurrenzfähig. So weit die zu 2.
lohnt sich sogar bis zu dem Punkt, wo eine kWh fast wörtlich wiedergegebene Stellungnahme in
Strom bis zu ca. 3 bis 4,5x teuer ist als eine kWh der Korrespondenz.
Solarwärme. Und der mengengewichtete Wir müssen uns kürzer fassen und lassen die
Zuschlagswert in deutschen Regelausschreibungen grundsätzlich nachvollziehbaren, aber nicht in
liegt derzeit mit knapp über 5 Ct/kWh -meist mit allem bereits belegten Statements weitgehend
PV erzielt- sogar bereits unter den solartherm- unkommentiert im Raum stehen, als Einladung an
ischen Wärmegestehungskosten." die Korrespondenten selber, aber auch an erfahr-
Sehr spannend, hier sollte man tatsächlich enere Vertreter der Solarthermie und dänischen
nachhaken und eine detailliertere Betrachtung Wärmestrategie sich dazu ausführlicher zu Wort
einschließlich der Quellparameter zur Gewinnung zu melden.
der Umgebungswärme anschließen!
Zum Abschluss dennoch zwei mehr fragende
2. Wärmenetze sind eher Teil des Problems als ein Stellungnahmen unsererseits zur Befeuerung der
gut geeigneter Lösungsansatz für die Wärmewen- weiteren Diskussion, insbesondere zu den zuletzt
de. Das dänische Modell eignet sich deshalb nicht aufgeworfenen Fragestellungen:
für Deutschland! A. Dass der Schlüssel zu einer bestmöglich effi-
Dieses Statement -Begründung folgt!- geht über zienten Wärmewende grundsätzlich eher auf der
die in 1. thematisierte Frage der Sinnhaftigkeit des Ebene der Einzelgebäude als in Hochtemperatur-
in Dänemark langjährig verfolgten Einsatzes der Wärmenetzen liegt, ist uns bewusst und aus
Solarthermie in Ortswärmentzen in Abwägung zu eindrucksvollen Beispielen bekannt. So ist Stand
einer Strom-WP basierten Erzeugung hinaus, der Technik, ein lokal versorgtes Gebäude mit
indem die dort entwickelte Strategie der flächen- höchstem Dämmstandard und Niedertemperatur-,
deckenden Wärmebedarfsabdeckung über Fern- zum Beispiel Fußboden- oder Wandheizung oder
bzw. Ortswärmenetze generell hinterfragt und zur Heizung alleine durch die Wärmeabgabe eines in
Diskussion gestellt wird. das Gebäude integrierten Saisonalspeichertanks
In der Tat erzwingt, und das ist Teil der Kritik, über das ganze Jahr zu nahezu 100% solartherm-
ein auf relativ hoher Vorlauftemperatur (in isch ohne Wärmepumpe zu heizen. Dabei kann
unserem Beispiel 75 °C) betriebenes Wärmenetz nämlich das Gebäude (abgesehen vom Warm-
den Einsatz von Wärmepumpen oder zusätzlichen wasser) auch noch bei Speichertemperaturen
biogenen oder fossilen Energieträgern wie in knapp oberhalb der Raumtemperatur am Ende
Dronninglund, um die Solarwärme überhaupt zur der Heizperiode ohne Wärmepumpe gewärmt
Ganzjahres-Wärmebedarfsdeckung einsetzen zu werden. Gute Beispiele für EFH, MFH und
können. Das zunächst nicht zu erkennen war auch Quartiere mit einem hohen solarthermischen
gerade der Fehler in unserem Erstbeitrag und Autarkiegrad finden sich bei Timo Leukefeld et al.
Anlass der hier vorgelegten Korrektur. (4). Auch der Beitrag Solar houses: above 95 %
Innerhalb der "Wärme-Netzwelt" führt das zu solar fraction is possible von Baerbel Epp (22) gibt
der unter 1. wiedergegebenen Frage, wenn man sehr informative Hinweise zu dem gleichen
Bio- und fossile Energie vermeiden will und die Thema.
11Abb. K5: CO2 Emission in Million Tonnes for all Heating (Bar chart, left scale) and in kg per MWh at End-User
(Curve, right scale). Aus: Heat Plan Denmark 2010 - Low Carbon Urban Heating, Anders Dyrelund (23), Folie 29.
Wobei ein hoher Dämmstandard mit Nieder- Wir haben bei dieser Frage die eindrucksvolle
temperatur-Heizung ebenso Voraussetzung für ein Darstellung der Ergebnisse und weiteren Ziele des
effizientes (z.B. EE-elektrisches) lokales Wärme- in den 1970er Jahren entwickelten und festgeleg-
pumpen-Heizsystem ist, wie das hochautarke ten Heat Plan Denmark vor Augen, in der uns vor-
Solarsystem eine ebenfalls zu 100% regenerative liegenden Darstellung von Anders Dyrelund (2010,
Wärmeoption. Warum aber die Solarthermie s. Abb. K5). Dänemark hat damit schon 2010 nach
hinsichtlich ihres Dekarbonisierungspotenzials mit über 30-jähriger konsequenter Entwicklung eine
der Kombination von WP und PV in diesem CO2-Reduzierung von >60% bei der Heizwärme
Effizienzbereich nicht konkurrenzfähig sein sollte, erreicht, während der EE-Anteil in Deutschland bis
erschließt sich uns ohne weitere Erläuterung heute bei ca. 15% stagniert (24). Ein eindrucks-
zunächst nicht. volles Beispiel für konsequentes staatliches
B. Auch bei sicher höherem Effizienzpotenzial der Handeln! Die Emissionen in Deutschland betrugen
Wärmewende im Einzelgebäude-Bereich, das im 2018 ≈290 kg CO2/MWh Wärme (25), diesen Stand
Hinblick auf die bestmögliche Primärenergie- und hatte Dänemark schon ≈1988.
Flächenausnutzung und vor allem auch gültig für Aus dieser Sicht ist die dänische Ortswärme-
die Solarthermie, stellt sich für uns, gerade auch versorgung, die den gegebenen Gebäudebestand
im Studium der dänischen Errungenschaften die ohne besonders hohen Dämmstandard über
Frage, ob der Weg über die Einzelgebäude, den schon zuvor vorhandene, früher rein fossil betrie-
man natürlich nicht unterlassen sondern weitmög- bene Wärmenetze jetzt mit Solarthermie, Bioener-
lichst forcieren sollte unabhängig von der Frage ob gie und anderem heizt, vielleicht anders zu bewer-
mit Solarthermie oder WP auch der effizienteste ten als nach der reinen Lehre höchstmöglicher
im Hinblick auf die Umsetzungsgeschwindigkeit Primärenergie-Effizienz. Diese Strategie war ver-
ist. Hochgedämmte, möglichst energieautarke mutlich schneller umsetzbar als eine Einzelgebäu-
oder Plusenergie-Gebäude mit Solarthermie de-Versorgung und Dämmung des Bestands nach
und/oder WP sind eine gute Errungenschaft, aber heutigen Standards. Wohin sie führt ist offen. Vor-
wie schnell erreichen wir damit vorgegebene CO2- aussetzung sind auch die -in DK vielleicht pro
Reduzierungsziele bei Neubau- und Sanierungs- Einwohner größeren- Flächenressourcen dafür.
raten von wenigen % p.a. vom Bestand? Was sollten wir konkret tun? Wir freuen uns
auf die weitere Diskussion!
12Literaturangaben:
(1) Wege in eine ressourcenschonende Treibhausgasneutralität - RESCUE-Studie, K. Purr et al., Umweltbundesamt
(UBA), Dessau-Roßlau, Nov. 2019
(2) Ableitung eines Korridors für erneuerbare Wärme im Gebäudebereich - Endbericht, P. Jochum et al., Beuth
Hochsch. f. Technik, Berlin, und P. Mellwig et al., ifeu - Inst. f. Energie- und Umweltforschung, Heidelberg 2017
(3) Entwicklung der Gebäudewärme und Rückkopplung mit dem Energiesystem in -95% THG-Klimazielszenarien -
Teilbericht, N. Gerhardt et al., Faunhofer IEE, Kassel 2019
(4) Modern heizen mit Solarthermie, T. Leukefeld et al., Verlag Solare Zukunft, Erlangen, 2. Aufl. 2015
(5) Energieziel 2050: 100% Strom aus erneuerbaren Quellen, T. Klaus et al., UBA, Dessau-Roßlau 2010
(6) Design of Future Energy Systems towards 100% Renewables, H.-M. Henning, Fraunhofer ISE, presentation held
at ISEC - International Sustainable Energy Conference, Graz, AUSTRIA 2018
(7) Wege zu einem klimaneutralen Energiesystem – Die deutsche Energiewende im Kontext gesellschaftlicher
Verhaltensweisen, P. Sterchele et al., Fraunhofer ISE, Freiburg i.Br., 14. Feb. 2020
(8) Dronninglund Solarthermie-Anlage, Broschüre, Dronninglund Fjernvarme, Planenergi und Niras, o.D., um 2015
(9) Wärmenetzsysteme 4.0 - Endbericht, M. Pehnt, ifeu (Hauptbearbeiter) et al. 2017
(10) Monitoring Results from Large Scale Heat Storages for District Heating in Denmark, T. Schmidt and
P.A. Sørensen, 14th International Conference on Energy Storage, Adana, TURKEY 2018
(11) Seasonal pit heat storage: Cost benchmark of 30 EUR/m³, B. Epp, Solarthermalworld.org Newsletter June 2019
(12) Hochtemperaturwärmepumpen im Kontext geothermischer Wärmeversorgung, J. Schäfer et al., Berliner
Energietage, Berlin, Mai 2019
(13) Solarwärme im Netz lohnt sich, G. Bröer, Energiekommune 10/2019
(14) Die Zukunft der Siedlungswärme - Solarthermie und Wärmepumpe im Vergleich, C. Beneking, 05. März 2020,
abgerufen als Zukunftsoptionen-Solarthermie-un-d-Wärmepumpe-Beneking-030320.pdf von der Seite
https://www.solarthermie-jahrbuch.de/die-zukunft-der-siedlungswaerme/ am 06.01.2021;
Kurzfassung Die Zukunft der Siedlungswärme, C. Beneking und D. Koenemann parallel erschienen im
Solarthermie-Jahrbuch 2020, Hrsg. Solar Promotion GmbH, Pforzheim (März 2020)
(15) Korrekturhinweis, 10. August 2020, https://www.solarthermie-jahrbuch.de/korrekturhinweis-des-
autors/#more-1700, abgerufen am 06.01.2021
(16) Sonnenträume, R.-M. Lüking, 18.09.2020, https://www.dgs.de/news/en-detail/180920-sonnentraeume/,
abgerufen am 14.01.2021
(17) SUNSTORE 3, Phase 2: Implementation, Final report; Project identification 64009-0043 and 64010-0447, EUDP
2009 Programme; Project managing company PlanEnergi, Jyllandsgade 19520, Skørping, Denmark, submitted
March 2015, sunstore_3_-_final_report_1_23102015_1501.pdf, abgerufen von der Seite
https://energiforskning.dk/da/project/saesonlager-til-stort-solvarmeanlaeg am 02.10.2020
(18) Wikipedia: Wärmepumpe, https://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmepumpe, abgerufen am 02.10.2020
(19) Wikipedia: Absorptionskältemaschine, https://de.wikipedia.org/wiki/Absorptionsk%C3%A4ltemaschine,
abgerufen am 02.10.2020
(20) Planungshandbuch Wärmepumpen, Hrsg. Viessmann Werke, Allendorf (Eder) 2011, abgerufen von der Seite
https://www.viessmann.de/de/wohngebaeude/waermepumpe/grosswaermepumpen.html
als ph-waermepumpen.pdf am 03.10.2020
(21) Die große Illusion, D. Koenemann, Solarthermie-Jahrbuch 2020, Hrsg. Solar Promotion GmbH, Pforzheim (März
2020), siehe auch All electric society ist Illusion, D. Koenemann, 29.03.2020, https://www.solarthermie-
jahrbuch.de/all-electric-society-ist-illusion/, abgerufen am 09.07.2020
(22) Solar houses: above 95 % solar fraction is possible, B. Epp, Solarthermalworld.org Newsletter October 2020
(23) Heat Plan Denmark 2010 - Low Carbon Urban Heating, Anders Dyrelund, RAMBOLL,
https://ramboll.com/services/energy%20and%20climate//-/media/files/rgr/documents/documents/heat-
plan-denmark-2010-final.pdf?_ga=2.242393668.796366071.1580282881-1635931513.1570180916,
abgerufen am 05.07.2020
(24) Erneuerbare Energien: Anteile in den Sektoren Strom, Wärme und Verkehr, Quelle: AGEE-Stat /
Umweltbundesamt, aus: Erneuerbare Energien in Zahlen, https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-
energie/erneuerbare-energien/erneuerbare-energien-in-zahlen#uberblick, abgerufen am 10.01.2021
(25) rechnerisch aus Energieverbrauch und Kohlendioxid-Emissionen privater Haushalte 2018,
https://www.umweltbundesamt.de/daten/, abgerufen am 05.07.2020
Der Autor dankt Tilman C. Thürwächter und Dr. Rolf-Michael Lüking für ihre wichtigen Hinweise und die
konstruktive Diskussion. Trotz großer Sorgfalt wird keine Haftung für Angaben übernommen.
Claus Beneking war u.a. zeitweise Leiter des einschlägig tätigen Reiner Lemoine Instituts, Berlin. Sein Haupt-
interesse gilt der Suche nach der besten Strategie für ein zu 100% erneuerbares Gesamt-Energiesystem.
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