Serie Energieeffizienz: Warme Räume mit weniger Energie

Rund 90 Prozent des gesamten Energieverbrauchs in deutschen Haushalten wird als Wärmeenergie genutzt. Etwa zwei Drittel davon entfallen allein auf das Beheizen von Räumen, der Rest hauptsächlich auf die Warmwasserbereitung. Der Sektor Gewerbe, Handel, Dienstleistungen setzt immerhin rund 60 Prozent der Endenergie für die verschiedene Wärmeanwendungen ein.

Wer den Energieverbrauch von Gebäuden optimieren will, kommt also an der Wärmewende nicht vorbei. Gleichzeitig liegt hier ein immenses Potenzial, denn bisher bleibt viel Wärme ungenutzt, die in Industrie- und Gewerbebetriebe sowie thermischen Kraftwerken anfällt. Ließe sich diese besser nutzen, könnte der Aufwand an – fossiler wie erneuerbarer – Primärenergie beim Erzeugen thermischer Energie gesenkt werden.

Wärmenetze machen Abwärme nutzbar

Ein Prinzip, das bereits seit Jahrzehnten angewandt wird, ist die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Dabei wird die Abwärme thermischer Kraftwerke – also konventioneller Kohle- oder Gaskraftwerke – genutzt, um über ein Fernwärmenetz Gebäude zu beheizen. Demselben Prinzip folgen Blockheizkraftwerke bei der Versorgung von Siedlungen oder größeren Gebäuden – nur eben in kleinerem Maßstab.

Immerhin wurden in Deutschland in den zehn Jahren von 2012 bis 2021 laut dem Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) KWK-Kraftwerke mit einer elektrischen Leistung von mehr als zehn Gigawatt (GW) in Betrieb genommen. Sowohl die Strom- als auch die Wärmeproduktion liegt damit auf Linie der Ausbauziele der Bundesregierung. Allerdings gibt es noch etliche thermische Kraftwerke, die nicht zur KWK genutzt werden. Im Jahr 2020 kamen von den 318 Terawattstunden (TWh) Strom, die in thermischen Kraftwerken erzeugt wurden, nur 111 TWh aus KWK-Kraftwerken.

Sektorkopplung: „Jede freiwerdende Energie nutzen“

Nutzbare Abwärme fällt aber nicht nur in konventionellen Kraftwerken an. Das Reallabor „Living Lab Energy Campus“ (LLEC) am Forschungszentrum Jülich nutzt bereits heute die Abwärme des zentralen Großrechners der Einrichtung. Künftig soll auch die Wärme, die bei der Speicherung von nachhaltigem Wasserstoff anfällt, in das Wärmenetz des Reallabors eingespeist werden.

Erforscht wird im Rahmen des LLEC auch, wie verschiedene Strom- und Wärmequellen sowie -speicher so miteinander verknüpft werden können, dass sie die Energieversorgung ganzer Industrie- und Gewerbestandorte oder auch Wohnquartiere optimieren, erklärt Projektmanager Stefan Kasselmann: „Denn das ist ja im Grunde, worum es bei einer energetischen Sektorkopplung geht: Dass man jede freiwerdende Energie möglichst nutzt, damit das Gesamtsystem wirtschaftlich funktioniert.“

Woher kommt effiziente Wärme bei Windstille im Winter?

Mit dem Ziel der Nachhaltigkeit stellt sich allerdings die Frage, wie konventionelle Kraftwerke künftig mit erneuerbaren Energieträgern effizient betrieben werden können, denn bisher werden dafür vor allem fossile Energieträger eingesetzt. Nachhaltig werden diese Anlagen bisher fast ausschließlich mit Biomasse betrieben, doch die steht am unteren Ende der Energieeffizienzskala.

Auf einem Hektar Ackerland lassen sich mit Biomasse zwischen 15 und 50 Megawattstunden (MWh) Energie gewinnen. Auf der gleichen Fläche können Windkraft- und PV-Anlagen – je nach Standort und Anlageneffizienz – zwischen 400 und 1000 MWh Strom liefern.

Daraus ergibt sich, dass chemische Energieträger wie Wasserstoff und synthetische Kraftstoffe aus nachhaltiger Erzeugung rund zehnmal effizienter sind als Biomasse. Je nach Brennstoff gelten Gewinnung, Lagerung und Transport zwar als energieintensiv. Doch unterm Strich liegt ihre energetische Flächeneffizienz in etwa bei 160 bis 500 MWh/ha.

Solche Brennstoffe leisten außerdem als saisonale Energiespeicher einen Beitrag zur Energieeffizienz, weil sie in Zeiten eines Überangebots an Solar- und Windkraft gewonnen werden können. Auf diese Weise bleibt das sommerliche Energieangebot nicht ungenutzt. Chemische Energiespeicher sind also eine vergleichsweise effiziente Möglichkeit, temporären sowie saisonalen Mangel an Sonnen- und Windkraft zu überbrücken – nicht nur auf dem Wärmemarkt.

Wärmepumpen nicht nur in Einfamilienhäusern effizient

Dass erneuerbarer Strom mittlerweile so effizient heizt, liegt unter anderem daran, dass mit Wärmepumpen deutlich energieeffizientere Heizsysteme zur Verfügung stehen als herkömmliche Radiatoren. Moderne Wärmepumpen haben je nach Größe, Bauweise und Nutzung einen Wirkungsgrad von 250 bis 500 Prozent. Sie gewinnen also aus einer Wattstunde Strom bis zu fünf Wattstunden Wärmeenergie.

Wärmepumpen entziehen mithilfe eines Kältemittels der Umgebung Wärme und geben sie über Wärmetauscher an die Heizung oder das Leitungswasser weiter. Deshalb arbeiten sie umso effizienter, je wärmer die Umgebung ist, die das Kühlmittel durchfließt.

Besonders effizient sind deshalb Wärmepumpen, deren Kältemittel eine Sonde durchfließt, die zum Beispiel durch das Erdreich oder auch ein großes Gewässer verläuft. Dort liegen die Temperaturen nämlich auch im Winter fast immer über dem Gefrierpunkt. Das Gleiche gilt umgekehrt, wenn die Wärmepumpe auch als Klimaanlage fungieren kann: Dann sind Böden und Wässer kühler als die Umgebungsluft und helfen, das Kältemittel abzukühlen. Lohnend ist die Extrainvestition in eine Sonde also vor allem an Standorten mit großen Temperaturschwankungen.

Dabei sind Wärmepumpen durchaus nicht nur etwas für Einfamilienhäuser. Wohnungsbaugesellschaften gehen ebenso wie Stadtwerke dazu über, sie für Nah- beziehungsweise Fernwärmenetze zu nutzen.

Saisonale Wärmespeicher und Geothermie

Mittels Wärmepumpenprinzip, aber auch über Solarthermie-Kollektoren können auch saisonale Wärmespeicher genutzt werden. Dies können zum Beispiel große Wasser- oder Soletanks sein, die im Sommer, wenn besonders viele Energie verfügbar ist, aufgeheizt werden. Dank starker Isolation können sie diese Wärme bis in den Winter speichern, dann wird die Wärme wiederum über Wärmepumpen oder auch direkte Wärmetauscher nutzbar gemacht. Dieses Prinzip ist sogar in Verbindung mit Geothermie möglich. Dabei wird die Sommerenergie als Wärme in Gesteinen der Erdkruste gespeichert.

Noch mehr Wärmeenergie liefert die Tiefengeothermie, die warmes Thermalwasser aus dem Untergrund fördert. In Tiefen von 3.000 bis 4.000 Metern ist es sogar heiß genug, um zur Stromerzeugung genutzt zu werden. Auch hier kann die KWK die Effizienzeffizienz erhöhen und gleichzeitig dafür sorgen, dass sich die Investitionskosten für die Bohrungen schneller amortisieren.