Kalte Fernwärme und Wärmepumpen

Der Begriff 'Kalte Fernwärme' klingt wie ein innerer Wider­spruch, beschreibt aber ein System zum Trans­port von Energie in Form von Wärme auf niedrigem Temperatur­niveau. Gerade dies in Verbindung mit Wär­mepumpen kann für eine CO₂-minimierte Wär­meversorgung in urba­nen Gebieten von beson­de­rem Vorteil sein.

In den vergangenen Jahrzehnten wurde Fern­wärme vielfach in der Kraft-Wärme-Kopplung genutzt um die unvermeidliche Abwärme der thermischen Stromerzeugung in fossil befeu­er­ten Kraftwerken als Heizwärme für Gebäu­de zu vertei­len. So konnte der geringe Nutz­ungs­grad der Pri­märenergie von rund einem Drittel bei alten und etwa der Hälfte bei neu­en thermischen Kraftwerken zumindes­tens in der Heizperiode deutlich erhöht wer­den.

Als Teil der notwendigen Maßnahmen zur Senkung der CO₂-Emissionen müssen jedoch diese thermischen Kraftwerke vom Netz ge­nom­men werden und können höchstens noch als Reserve-Kraftwerke mit geringen Betriebs­zeiten eingesetzt werden. Die Kraft-Wärme-Kopp­lung und die Abwärme-Ver­teil-Funk­tion der Fern­wärme wer­den damit hinfällig.

Auf der anderen Seite müssen auch fossil betriebene Heiz­kessel in Zukunft durch Wärmeerzeuger mit geringen CO₂-Emissionen er­setzt werden. Ein besonders geeignetes Konzept dafür sind Wär­me­pum­pen, die mit regenerativ erzeugtem Strom betrieben wer­den. Zur Funk­tion einer Wärmepumpe ge­hört jedoch auch eine externe Wär­me­quelle. In her­kömm­lichen Systemen sind das ent­we­der das Erd­reich bzw. das Grund­wasser oder die Umgebungs­luft, denen über einen jeweils geeigneten Wärmetauscher Wärme entzogen wird.

Im ländlichen Raum mit geringer Bebauungs-Dichte ist es eher un­problematisch einen entsprechenden Wär­me­tau­scher unter­zu­bringen. Bei dichter städtischer Bebauung sind jedoch einerseits unbebaute Flächen für Wärme­tau­scher im Erdreich rar und an­der­erseits fehlen auch geeig­nete Aufstell-Möglichkeiten für Luft-Wärmetauscher, zumal letztere erheblichen Lärm erzeugen kön­nen, insbesondere wenn sie platzsparend kompakt gebaut sind.

Hier kommt die 'kalte Fernwärme' ins Spiel, bei der Wasser mit ungefähr Umgebungstemperatur durch die Leitungen strömt. An die 'kalte Fernwärme' angeschlossene Wärme­pumpen können diese als Wärmequelle nutzen. Dem Fern­wärme-Netz muß dazu an anderer Stelle Wärme zugeführt werden.

Der Clou der 'kalten Fernwärme' ist, daß sie nicht nur als Wärmequelle für heizende Wär­me­pum­pen genutzt werden kann, sondern auch als Wärmesenke, die von kühlenden Wär­me­pumpen abgegebene Wärme auf­nimmt. Wenn zur gleichen Zeit aus dem Netz Wärme zum Heizen entnommen wird und Wärme aus Kühlanlagen zugeführt wird, führt dies zu einem zumindest teilweisen Ausgleich.

Nun fällt Witterungs-bedingt der Heizbedarf vorwiegend im Winter und der Kühlbedarf vorwiegend im Sommer an, also großenteils nicht gleichzeitig. Mit einem großen Reservoir als Jahreszeiten-Speicher kann dies über­brückt und ein Ausgleich hergestellt werden.

Bisher überwiegt (in Mitteleuropa) im Jahresmittel der Heiz­bedarf gegenüber dem Kühlbedarf. Zukünftig ist zu erwarten, daß einer­seits infolge des verbesserten Wärme­dämm­standards der Heiz­ener­gie­bedarf sinken wird und daß andererseits angesichts der glo­balen Erwärmung und häufigerer Hitzetage vermehrt in Ge­bäu­den gekühlt wer­den muß. Vermutlich werden sich daher jährlicher Heiz­be­darf und jährlicher Kühlbedarf einander annä­hern, was vorteilhaft für den Betrieb eines kalten Fern­wärme­netzes mit Jahrezeitspeicher ist.

Mit einer überschlägigen Kalkulation soll das Potenzial dieses Ansatzes verdeutlicht werden: Nach Stillegung des Tagebaus Hambach im Rheinischen Braunkohlerevier soll das verbleibende Loch zu einem See mit etwa 3.5 km³ Volumen aufgefüllt werden. Wenn dieser See um 2 Grad erwärmt oder abgekühlt wird, entspricht das einer Wärmemenge von 8 TWh oder ungefähr dem jährlichen Heiz­ener­gie­bedarf von 1 Million Menschen, also etwa der Einwohner­schaft von Köln. Das muß nicht heißen, daß die gesamte Stadt Köln an den See angeschlossen werden soll, zeigt aber, daß die Wärmekapazität des Sees als Jahres­zeit­speicher für große Teile der umliegenden Städte Köln, Düsseldorf, Aachen, etc. ausreicht, wenn diese über ein kaltes Fernwärmenetz ange­schlossen sind.

Auf einen zukünftigen Hambach-See mit etwa 40 km² Oberfläche trifft jährlich eine solare Einstrahlung von rund 40 TWh, wovon ein großer Teil in den See eindringt, dort absorbiert wird und entnommene Heizwärme kompensiert. Dies kann auch gesche­hen, wenn auf einem Teil des Sees eine schwimmende PVT-Anlage installiert wird mit Kollek­toren, die sowohl Strom erzeugen als auch Wärme ab­geben.

Nicht überall stehen derart große Speichervolumina wie im Rheinland zur Verfügung. Jedoch läßt sich die Kombination aus kaltem Wärmenetz mit Saisonspeicher und Wärme­pum­pen auch auf kleinere Dimensionen skalieren und ist daher vielerorts ein­setzbar.

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by   D. Hennings • www.eclim.de •