Wärmeerzeugung in thermischen Netzen

Moderne Wärmenetze setzen auf eine Kombination mehrerer Erzeugungstechnologien: Der Grundlasterzeuger — etwa ein Holzkessel oder eine Wärmepumpe — wird auf 30 bis 60 % der Spitzenleistung ausgelegt und deckt 70 bis 90 % des Jahreswärmebedarfs, während Spitzenlasterzeuger die wenigen hundert Stunden mit höchstem Leistungsbedarf abfangen. Die Technologiewahl bestimmt neben den Investitions- und Betriebskosten auch die erreichbare CO₂-Reduktion, die notwendigen Netztemperaturen und die Systemflexibilität.

Grundlast- und Spitzenlastkonzepte

Die zeitliche Verteilung des Wärmebedarfs über das Jahr macht den Einsatz mehrerer Wärmeerzeuger sinnvoll. Ausgangspunkt ist die Jahresdauerlinie:

• Grundlasterzeuger decken den über lange Zeiträume konstant anfallenden Wärmebedarf. Sie laufen mit hohen Vollbetriebsstunden (4000 — 6000 h/a) und sollten daher niedrige Brennstoff- bzw. Energiekosten aufweisen.
• Spitzenlasterzeuger decken die wenigen hundert Stunden mit hohem Leistungsbedarf ab. Sie benötigen geringe Investitionskosten und eine schnelle Laständerungsfähigkeit.

Typische Aufteilung: Der Grundlasterzeuger wird auf 30 — 60 % der maximalen Wärmeleistung ausgelegt und deckt dabei 70 — 90 % des Jahresenergiebedarfs. Optional kommt ein separater Erzeuger für den Sommerbetrieb (Schwachlast) hinzu, wenn der Grundlasterzeuger im Teillastbereich einen schlechten Wirkungsgrad aufweist.

Wärmeerzeuger im Überblick

Holzkessel und Holzkessel-Kaskaden

Holzschnitzel- und Pelletkessel sind in der Schweiz und in Mitteleuropa die am häufigsten eingesetzten erneuerbaren Wärmeerzeuger für thermische Netze. Vorteile:

• CO₂-neutrale, regionale Energiequelle
• Bewährte und robuste Technologie
• Gut geeignet als Grundlasterzeuger

Bei Anlagen mit drei oder mehr Kesseln ähnlicher Leistung spricht man von Holzkessel-Kaskaden. Diese ermöglichen einen modularen Betrieb mit guter Teillastfähigkeit. Der Einsatz eines Wärmespeichers kann die Betriebsweise weiter optimieren und die Anzahl der Kesselstarts reduzieren.

Wärmepumpen

Wärmepumpen nutzen Umweltwärme (Luft, Wasser, Erdreich) oder Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau und heben diese auf die benötigte Vorlauftemperatur an. Ihre Effizienz wird durch die Leistungszahl (COP) beschrieben:

Die Effizienz steigt mit sinkender Vorlauftemperatur und steigender Quellentemperatur. Typische COP-Werte für Netzanwendungen liegen bei 3 bis 5. Wärmepumpen eignen sich besonders für:

• Niedertemperaturnetze (< 60 °C Vorlauf)
• Kombination mit saisonalen Speichern
• Nutzung von Abwärme aus Abwasser, Seewasser oder Grundwasser

Solarthermie

Solarthermische Anlagen können in thermische Netze eingebunden werden, wobei der stark saisonale Ertrag eine Herausforderung darstellt. In Kombination mit saisonalen Speichern (Erdsondenspeicher, Aquifer) können solare Deckungsgrade von 20 bis 50 % erreicht werden.

Geothermie

Geothermische Quellen bieten eine konstante, witterungsunabhängige Wärmequelle. Man unterscheidet:

• Oberflächennahe Geothermie (bis ca. 400 m): In Kombination mit Wärmepumpen, typisch für kalte Nahwärme
• Mitteltiefe Geothermie (400 — 3000 m): Direkte Nutzung bei ausreichend hohen Temperaturen
• Tiefe Geothermie (> 3000 m): Höhere Temperaturen, aber deutlich höhere Investitionskosten und geologische Risiken

Abwärme

Die direkte Nutzung von Abwärme aus industriellen Prozessen, Kehrichtverbrennungsanlagen (KVA) oder Rechenzentren ist eine besonders effiziente Form der Wärmebereitstellung. In der Schweiz stammen rund 45 % der Fernwärme aus KVA-Abwärme. Wesentliche Aspekte:

• Verfügbarkeit und Temperaturniveau der Abwärmequelle klären
• Langfristige Absicherung durch Verträge
• Ggf. Wärmepumpe zur Temperaturanhebung erforderlich

Blockheizkraftwerke (BHKW)

BHKW erzeugen gleichzeitig Wärme und Strom (Wärme-Kraft-Kopplung, WKK). Sie sind besonders wirtschaftlich, wenn:

• Ein hoher gleichzeitiger Strom- und Wärmebedarf besteht
• Hohe Vollbetriebsstunden erreichbar sind (> 5000 h/a)
• Der erzeugte Strom vorteilhaft vermarktet werden kann

Brennstoffe sind typischerweise Erdgas, Biogas oder Holzgas. Der Gesamtwirkungsgrad liegt bei 80 — 90 %, wobei ca. 30 — 40 % als Strom und 50 — 60 % als Wärme anfallen.

Fossilfreie Wärmeerzeugung

Der Weg zur fossilfreien Wärmeerzeugung kann schrittweise erfolgen. Typische Ansätze sind:

1. Spitzenkessel ersetzen: Holzpellets statt fossiler Spitzenkessel
2. Holzkessel-Kaskaden: Modularer Ausbau mit erneuerbarer Grundlast
3. Wärmepumpen ergänzen: Kombination mit Holzwärme für bivalenten Betrieb
4. Solarthermie und Speicher: Saisonale Wärmespeicherung
5. Abwärme einbinden: Nutzung lokaler Abwärmequellen

Bivalenter Betrieb: Wärmepumpe und Holzkessel

Eine vielversprechende Kombination ist der bivalente Betrieb mit Wärmepumpe als Grundlast und Holzkessel als Spitzenlast. Dabei übernimmt die Wärmepumpe die Wärmeerzeugung bis zu einer bestimmten Außentemperatur (z. B. $-3$ °C) und der Holzkessel deckt die kältesten Perioden ab. So können Wärmepumpen rund 74 % des Jahreswärmebedarfs abdecken, während der Holzkessel nur ca. 10 Wochen im Winter läuft.

Wahl der Erzeugungstechnologie

Die Auswahl orientiert sich an einer Planungsprioritätenfolge:

1. Ortsgebundene hochwertige Abwärme (KVA, Industrie, WKK)
2. Ortsgebundene niederwertige Umweltwärme (Abwasser, See, Grundwasser)
3. Regional verfügbare erneuerbare Energieträger (Biomasse)
4. Örtlich ungebundene Umweltwärme (Solarthermie, Luft)
5. Regional verfügbare erneuerbare Energieträger mit begrenzter Verfügbarkeit (Energieholz)

Die Kombination verschiedener Erzeuger, optimale Speicherdimensionierung und die Integration erneuerbarer Energien können mit Simulationswerkzeugen wie VICUS Districts detailliert untersucht und optimiert werden.

Weiterführende Artikel: Netztemperaturen erläutert, wie die Wahl der Erzeugungstechnologie die Netzvorlauftemperatur bestimmt, Kalte Nahwärme: Grundlagen beschreibt das Konzept der 5GDHC-Netze mit dezentralen Wärmepumpen als Alternative zur klassischen Erzeugung, und Planungsphasen thermischer Netze ordnet die Erzeugerauswahl in den Gesamtplanungsprozess ein.

Quellen und Normen

• AGFW-Hauptbericht — Fernwärme in Deutschland, jährlich aktualisierte Branchenstatistik des AGFW
• BMWK (2024): Erneuerbare Energien in Zahlen — Nationale und internationale Entwicklung. Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz.
• Nussbaumer, T.; Thalmann, S.; Zaugg, D.; Cueni, M. (2025): Planungshandbuch Thermische Netze. Version 2.0, EnergieSchweiz / Bundesamt für Energie BFE.