Prosumer in Wärmenetzen

Prosumer sind Netzteilnehmer, die sowohl Wärme beziehen als auch einspeisen — etwa aus Solarthermie, industrieller Abwärme oder Kühlprozessen. Besonders in kalten Nahwärmenetzen (5GDHC) entfalten sie ihr volles Potenzial, da das niedrige Temperaturniveau die Einspeisung aus vielfältigen Quellen erleichtert und bidirektionale Energieflüsse zwischen Heizen und Kühlen ermöglicht.

Was ist ein Prosumer im Wärmenetz?

Ein Prosumer ist ein Netzteilnehmer, der zeitweise Wärme verbraucht und zeitweise Wärme in das Netz einspeist. Anders als ein reiner Einspeiser (z. B. ein Heizkraftwerk) wechselt der Prosumer seinen Betriebsmodus je nach Verfügbarkeit der eigenen Wärmequelle und dem eigenen Bedarf.

Typische Beispiele sind:

• Wohngebäude mit Solarthermie, die im Sommer überschüssige Wärme einspeisen
• Gewerbebetriebe mit Prozessabwärme, die kontinuierlich oder zeitweise Wärme abgeben
• Rechenzentren, deren Kühlung ganzjährig Abwärme auf Temperaturniveaus von 30 bis 60 °C erzeugt
• Gebäude mit aktiver Kühlung, die im Sommer über die Wärmepumpe Wärme an das Netz abgeben

Das Prosumer-Konzept ist besonders relevant für kalte Nahwärmenetze (5GDHC), bei denen das niedrige Temperaturniveau die Einspeisung aus verschiedensten Quellen erleichtert. Aber auch in konventionellen Niedertemperaturnetzen (4. Generation) finden Prosumer-Modelle zunehmend Anwendung.

Einspeisearten: Hydraulische Varianten

Die Art der Einspeisung hängt davon ab, an welcher Stelle im Netz die Wärme eingespeist wird und auf welchem Temperaturniveau sie zur Verfügung steht. Es lassen sich zwei grundsätzliche Einspeiseprinzipien unterscheiden:

Vorlauf-Rücklauf-Einspeisung (Supply-to-Return)

Bei dieser Variante entnimmt der Prosumer Wasser aus dem Vorlauf, kühlt es durch seinen eigenen Wärmebedarf ab und speist die verbleibende Wärme nicht vollständig abgekühlt in den Rücklauf ein. In der Praxis wird diese Variante selten als echte Prosumer-Einspeisung eingesetzt, da sie die Rücklauftemperatur anhebt und damit die Effizienz des Gesamtsystems verschlechtert.

Rücklauf-Vorlauf-Einspeisung (Return-to-Supply)

Die deutlich häufigere und effizientere Variante: Der Prosumer entnimmt Wasser aus dem Rücklauf, erwärmt es mithilfe seiner Wärmequelle und speist es auf Vorlauftemperaturniveau wieder in den Vorlauf ein. Dabei muss die Einspeisetemperatur mindestens der Netzvorlauftemperatur entsprechen:

$T_{\text{Einspeisung}} \geq T_{\text{VL,Netz}}$

Die eingespeiste Wärmeleistung berechnet sich zu:

$\dot{Q}_{\text{ein}} = \dot{m} \cdot c_p \cdot (T_{\text{VL}} - T_{\text{RL}})$

wobei $\dot{m}$ der Massenstrom, $c_p$ die spezifische Wärmekapazität des Wassers und $T_{\text{VL}} - T_{\text{RL}}$ die Temperaturspreizung ist.

Bidirektionale Netze

In bidirektionalen Netzen kann die Strömungsrichtung in den Leitungen wechseln. Dies ist typisch für kalte Nahwärmenetze: Im Winter fließt die Sole von der zentralen Wärmequelle zu den Gebäuden, im Sommer kann die Richtung lokal umkehren, wenn Gebäude Kühlwärme einspeisen. Die hydraulische Auslegung solcher Netze ist anspruchsvoll, da wechselnde Druckverhältnisse und variable Strömungsrichtungen berücksichtigt werden müssen.

Ein typisches Merkmal bidirektionaler Netze ist das Fehlen einer klar definierten Vorlauf- und Rücklaufleitung. Stattdessen spricht man häufig von einer warmen und einer kalten Leitung, deren Temperaturen sich saisonal verändern.

Typische Prosumer-Wärmequellen

Solarthermie

Solarthermieanlagen auf Gebäudedächern oder Freiflächen erzeugen im Sommer erhebliche Wärmeüberschüsse, die den Eigenbedarf deutlich übersteigen können. Bei einem typischen Ertrag von 350 bis 500 kWh/m$^2$a und einem sommerlichen Wärmebedarf, der fast ausschließlich auf Trinkwarmwasser entfällt, ergeben sich für ein Mehrfamilienhaus mit 20 m$^2$ Kollektorfläche saisonale Überschüsse von mehreren MWh.

Die Einspeisung ins Netz erfordert einen Wärmetauscher zur hydraulischen Trennung sowie eine Regelung, die sicherstellt, dass nur bei ausreichendem Temperaturniveau eingespeist wird.

Industrielle und gewerbliche Abwärme

Viele Gewerbebetriebe erzeugen Abwärme auf nutzbaren Temperaturniveaus: Bäckereien (Backofenabluft bei 80 bis 150 °C), Supermärkte (Kälteanlagen bei 30 bis 45 °C) oder Rechenzentren (Serverabwärme bei 35 bis 60 °C). Die Herausforderung liegt in der zeitlichen Abstimmung zwischen Abwärmeanfall und Netzbedarf sowie in der Temperaturanhebung, falls das Abwärmeniveau unter der Netzvorlauftemperatur liegt.

Kühlung als Wärmequelle

In kalten Nahwärmenetzen entsteht beim aktiven Kühlen eines Gebäudes automatisch eine Einspeisung: Die Wärmepumpe entzieht dem Gebäude Wärme und gibt sie an das Netz ab. Dieser Mechanismus ist einer der zentralen Vorteile des Prosumer-Konzepts — die Abwärme der Kühlung wird nicht an die Umgebung verschwendet, sondern steht anderen Gebäuden als Wärmequelle zur Verfügung.

Herausforderungen bei Prosumer-Netzen

Hydraulische Komplexität

Mit jedem Prosumer steigt die hydraulische Komplexität des Netzes. Dezentrale Einspeiser verändern die Druckverhältnisse und Massenströme im Netz dynamisch. Eine sorgfältige Simulation ist notwendig, um sicherzustellen, dass alle Teilnehmer jederzeit ausreichend versorgt werden. Insbesondere bei Netzen mit vielen Prosumern kann es zu Situationen kommen, in denen mehr Wärme eingespeist als verbraucht wird — das Netz benötigt dann entweder einen Speicher oder eine Möglichkeit zur Abregelung.

Temperaturmanagement

In konventionellen Netzen muss die Einspeisetemperatur der Prosumer die Netzvorlauftemperatur erreichen. Bei gleitender Netzfahrweise (außentemperaturabhängige Vorlauftemperatur) ändert sich diese Anforderung über das Jahr. Im Winter bei hohen Vorlauftemperaturen (z. B. 80 °C) können viele Niedrigtemperaturquellen nicht direkt einspeisen. Kalte Nahwärmenetze umgehen dieses Problem durch ihre grundsätzlich niedrigen Netztemperaturen.

Mess- und Abrechnungskonzepte

Jeder Prosumer-Anschluss benötigt einen bidirektionalen Wärmemengenzähler, der sowohl den Bezug als auch die Einspeisung erfasst. Die Abrechnung erfordert klare vertragliche Regelungen: Zu welchem Preis wird eingespeiste Wärme vergütet? Wie werden Netzentgelte auf Einspeiser umgelegt? Diese Fragen sind bislang weniger standardisiert als im Stromsektor und erfordern individuelle Vereinbarungen zwischen Netzbetreiber und Prosumer.

Betriebsmodelle

In der Praxis haben sich verschiedene Modelle etabliert:

• Festpreisvergütung: Der Netzbetreiber vergütet eingespeiste Wärme zu einem festen Preis pro kWh, typischerweise 2 bis 5 ct/kWh, abhängig vom Temperaturniveau und der zeitlichen Verfügbarkeit.
• Wärme-Contracting: Ein Contractor errichtet und betreibt die Einspeiseanlage (z. B. Solarthermie) auf dem Dach des Prosumers und speist direkt ins Netz ein.
• Genossenschaftsmodell: Die Netzteilnehmer sind gleichzeitig Eigentümer des Netzes und teilen Kosten sowie Erträge untereinander auf.

Simulation und Planung von Prosumer-Netzen

Die Planung von Wärmenetzen mit Prosumern erfordert eine dynamische thermo-hydraulische Simulation, die variable Einspeisungen und Entnahmen über den gesamten Jahresverlauf abbildet. Stationäre Auslegungsrechnungen reichen nicht aus, da die wechselnden Betriebszustände die Netzhydraulik stark beeinflussen.

Software wie VICUS Districts ermöglicht die Simulation solcher Netze einschließlich bidirektionaler Strömungen und dezentraler Einspeiser. Damit lassen sich kritische Betriebszustände frühzeitig identifizieren und die Dimensionierung von Leitungen, Pumpen und Speichern optimieren.

Fazit

Prosumer-Konzepte machen Wärmenetze flexibler, effizienter und zukunftsfähiger. Sie ermöglichen die Nutzung dezentraler Wärmequellen — von Solarthermie über Abwärme bis zur Kühlungsabwärme — und verwandeln passive Verbraucher in aktive Netzpartner. Besonders in kalten Nahwärmenetzen entfalten Prosumer ihr volles Potenzial, da die niedrigen Netztemperaturen die Einspeisung aus vielfältigen Quellen erleichtern. Mit VICUS Districts lassen sich die resultierenden bidirektionalen Lastflüsse über das gesamte Jahr simulieren. Die hydraulische Komplexität erfordert jedoch eine sorgfältige Planung und Simulation, um einen stabilen und effizienten Netzbetrieb sicherzustellen.

Weiterführende Artikel: Netzfahrweisen beschreibt die verschiedenen Betriebskonzepte thermischer Netze, Netzregelung erläutert die Regelstrategien zur Steuerung von Druck und Temperatur im Netz, und Kalte Nahwärme: Grundlagen gibt einen umfassenden Überblick über Funktionsprinzip und Systemkomponenten.

Quellen und Normen

• Buffa, S. et al. (2019): 5th generation district heating and cooling systems: A review of existing cases in Europe. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 104, S. 504–522.
• Bünning, F. et al. (2018): Bidirectional low temperature district energy systems with agent-based control. Applied Energy, 209, S. 502–515.
• Lund, H. et al. (2014): 4th Generation District Heating (4GDH). Energy, 68, S. 1–11.
• Hirsch, H.; Nicolai, A. (2022): An efficient numerical solution method for detailed modelling of large 5th generation district heating and cooling networks. Energy, 255, 124485.