Wärmeversorgungssysteme mit saisonalen Wärmespeichern

2.2 Wärmeversorgung in Deutschland

Für die Erreichung der nationalen Klimaschutzziele werden zusätzliche Maßnahmen im Sektor Wärme veranschlagt. Für die Wärmeversorgung in Deutschland sind drei Schwerpunkte für die Untersuchung zu berücksichtigen. Zunächst sollen die Grundlagen der Wärmeversorgung erläutert werden. Dabei wird der Wärmesektor in seiner Gänze analysiert und der Marktaufbau dargestellt. Daran können Schwierigkeiten und Möglichkeiten für eine erfolgreiche Implementierung der erneuerbaren Energien in diesen Bereich aufgezeigt werden. Anschließend wird der Status quo der erneuerbaren Energien in der Wärmeversorgung analysiert. Hierbei wird auf aktuelle Trends und mögliche Szenarien eingegangen. Der letzte Abschnitt dieses Kapitels stellt gezielt Betreibermodelle im Wärmesektor vor und untersucht diese hinsichtlich ihrer Potenziale für den Einsatz von erneuerbaren Energien, Wirtschaftlichkeit und sozialer Akzeptanz bezüglich der Einsatzhäufigkeit.

2.2.1 Grundlagen

Der Wärmesektor ist unterteilt in unterschiedliche Handlungsfelder. Häufig wird in diesem Zusammenhang auch der Begriff des Wärmemarktes eingesetzt, welcher zunächst theoretisch analysiert werden soll. Ein Markt wird ökonomisch beschrieben als ein „Zusammentreffen von Angebot und Nachfrage, aufgrund dessen sich Preise bilden. Märkte lassen sich nach dem Institutionalisierungsgrad, der Art des Marktzutritts, dem Autonomiegrad der Marktteilnehmer und den vorherrschenden Präferenzen unterscheiden.“1 Der Wärmemarkt lässt sich in diese Definition einordnen. Entgegen früherer Definitionen wird der Wärmemarkt heute nur noch bedingt als einheitlich beschrieben. Dies trifft nur auf die erste Systementscheidung des Eigentümers zu, nicht aber auf die Nutzungs- und Betriebszeit mit der notwendigen Wärmebeschaffung.2 Vereinfacht gesagt, gibt es eine ganzheitlich freie Marktentscheidung bei der ersten Auswahl des Wärmeversorgungssystems, bei der anschließenden Lieferung der Brennstoffe wird der Markt jedoch aufgeteilt. Hinzu kommt, dass Heizungssysteme auf Grund der hohen Anschaffungskosten und des technischen Aufwandes nur selten während ihrer Betriebsdauer ausgewechselt oder modernisiert werden.3

Wie dargestellt, ist der Wärmemarkt an sich nicht einheitlich. Er ist vielmehr sehr vielschichtig und setzt sich aus verschiedenen Aspekten zusammen, welche berücksichtigt und zum Verständnis klar voneinander getrennt werden müssen.4 Dazu zählen die eingesetzten Energieträger, die verschiedenen Betreiberkonzepte für die Wärmeversorgung und die verschiedenen Abnehmer der Wärme. Der Wärmemarkt ist im Gegensatz zum Strommarkt inhomogen organisiert. Er wird nicht national oder gar international gesteuert, sondern befindet sich in einem lokal beschränkten Handlungsraum.5

Der Wärmesektor allgemein kann mit folgenden Merkmalen beschrieben werden:

 „große[n] Heterogenität und hohe[n] Komplexität, was die Eigentümer und Betreiber, die Heiztechnologien und Anlagengrößen sowie die Gebäudetypen betrifft,

 sehr starke Abhängigkeit von der Entwicklung global geprägter fossiler Energiepreise,

 kontinuierlich zunehmende Verschränkung mit dem Stromsektor.“6

Diese drei Faktoren verdeutlichen bereits, wie komplex sich der Wärmesektor darstellt. Im Gegensatz zum Stromsektor, welcher in einem gewissen Maße einheitlich organisiert ist, ergeben sich somit völlig andere Voraussetzungen für eine erfolgreiche Energiewende. Die Vielzahl der Akteure, welche sich in keinem einheitlichen Markt bewegen, verhindert eine aktive Steuerung und erschwert somit zusätzlich eine Energiewende in diesem Bereich. Es gilt daher umso mehr, mögliche Synergieeffekte aus der Kopplung der Sektoren zu nutzen.7 Aber nicht nur die Verknüpfung mit anderen Sektoren, sondern die ganzheitliche Betrachtung von Gebäuden und Wärmeversorgung ist für eine optimale Lösung essentiell und muss zukünftig eine noch stärkere Beachtung in der Planung finden.8

Die Wärmeversorgung wird in zentrale und dezentrale Systeme unterschieden. Zentrale Anlagen sind beispielsweise Fernwärmeversorgungen durch Heizwerke oder Kraft-Wärme-Kopplung (KWK-Anlagen). Im Gegensatz dazu wird bei dezentralen Anlagen die Wärme bei dem Verbraucher, beispielsweise Einfamilienhäuser oder Siedlungsstrukturen, bereitgestellt, zum Beispiel durch Heizkessel oder Wärmepumpen.9 Insbesondere erneuerbare Energien ermöglichen eine dezentrale Wärmeversorgung und können somit zur Erreichung der Klimaziele und zur Minderung der Importabhängigkeit von fossilen Brennstoffen beitragen.10

Für die zukünftige Wärmeversorgung lassen sich verschiedene Trends erkennen, welche in Abbildung 2-1 veranschaulicht sind. Diese wurden in unterschiedlichen Studien untersucht. Grundsätzlich lassen sich Tendenzen feststellen, welche in unterschiedlichen Ausprägungen und Möglichkeiten umgesetzt werden können. Abbildung 2-1 stellt nicht nur die Maßnahmen dar, sondern zeigt darüber hinaus, dass diese sinnvoll verknüpft werden müssen. So bestehen zwischen den Trends Interdependenzen, welche in die zukünftigen Entwicklungen einbezogen werden sollten. Die Digitalisierung bietet neue Möglichkeiten im Rahmen der Dezentralisierungen durch das Angebot von virtuellen Kraftwerken. Gleichzeitig müssen für dezentrale Systeme die lokalen Verbrauchs- oder Speicheranlagen vorhanden sein. Die Trendentwicklung greift die festgesetzten Sektorenziele aus Tabelle 2-1 auf. Die relevanten Sektoren der nachhaltigen Energiepolitik sind Strom, Wärme und Verkehr. Ziel ist es unter anderem diese optimal zu verknüpfen.11 Eine Stellschraube dafür stellen Power-to-X-Technologien (P2X) dar.12 Überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien wird dabei zum Beispiel in Wärme (Power-to-heat) oder Gas (Power-to-gas) umgewandelt.13

Abbildung 2-1:

Trends der Wärmewende14

Der Wärmemarkt kann in verschiedene Handlungs- und Untersuchungsfelder aufgeteilt werden, welche in den folgenden Kapiteln näher untersucht werden:

 Wärmeabnehmer,

 Energieträger und

 Betreiberkonzepte (Wärmeversorger).

2.2.2 Struktur der Wärmeabnehmer

Die Wärmeabnehmer lassen sich in drei Verbrauchssektoren unterteilen:1

 Private Haushalte,

 Gewerbe, Handel und Dienstleistung (GHD) und

 Industrie.

Diese Sektoren haben einen unterschiedlichen Wärmebedarf,2 welcher deren spezifischen Anwendungen geschuldet ist.

In Abbildung 2-2 wird ersichtlich, dass der größte Anteil des Wärmebedarfs mit 2.151 PJ in Deutschland auf die privaten Haushalte entfällt. Dabei ist wiederum der Bedarf an Raumwärme mit 77,4 % (1.664 PJ von 2.151 PJ) am höchsten. Der Wärmebedarf beträgt 1.888 PJ in der Industrie und 892 PJ im Gewerbe, Handel und Dienstleistungen. Insgesamt ergibt sich ein Wärmebedarf über alle Verbrauchssektoren mit 51,6 % für Raumwärme, 39,7 % für Prozesswärme und 8,7 % für Warmwasser.

Abbildung 2-2:

Wärmebedarf nach Verbrauchersektoren im Jahr 20163

Der Energieverbrauch4 für Raumwärme bei privaten Haushalten unterliegt jährlichen Schwankungen, welche in Abbildung 2-3 dargestellt sind. Diese können durch die Temperaturschwankungen im Vergleich der Betrachtungsjahre, der demografische Entwicklung und dem gestiegenen Wohnraumbedarf pro Kopf erklärt werden.5 Circa 50 % des Endenergieverbrauchs des Gesamtwärmebedarfs in Höhe von 4.931 PJ wird für die Raumwärme benötigt.6

Im Gegensatz dazu steht jedoch die Einsparung von Raumwärme durch die gestiegenen Anforderungen an die Energieeffizienz der Gebäudehülle in Folge der Erhöhung der baulichen Standards.7 Der Endenergieverbrauch von Bestandsgebäuden kann durch Sanierungstätigkeiten drastisch gesenkt werden.8 Übereinstimmende Studien gehen daher von einem sinkenden Wärmebedarf bis 2050 in Deutschland aus.9

Abbildung 2-3:

Entwicklung Endenergieverbrauch Raumwärme private Haushalte10

Jedoch bleibt bei hoch gedämmten Gebäuden ein Anteil an Wärmebedarf bestehen.11 Dieser wird im Sinne der Energie- und Klimapolitik bestenfalls durch erneuerbare Energien zur Wärmeerzeugung gedeckt.12 Es zeigt sich weiterhin, dass eine stetige Erhöhung der Energieeffizienz der Gebäudehülle nicht kosteneffizient ist.13

2.2.3 Energieträger im Wärmesektor

Wie bereits in der Einleitung1 dargestellt, entfallen circa 50 % des Endenergieverbrauchs in Deutschland auf den Sektor Wärme.2 Der Wärmeverbrauch lässt sich gemäß Abbildung 2-4 in verschiedene Energieträger aufgliedern. Der Anteil stagniert in den letzten Jahren bei 10 % bis 13 %.3 Im Gegensatz dazu wird fast viermal mehr Wärme aus Öl und Gas erzeugt. Der Anteil von Wärme aus Kohle ist eher gering. Fernwärme kann auf Grund der benötigten Infrastruktur nur partiell eingesetzt werden. Darüber hinaus lässt sich ein schwacher Rückgang für Mineralöle und Fernwärme feststellen.

Abbildung 2-4:

Wärmemix in Deutschland (alle Verbrauchssektoren)4

Den größten Anteil an erneuerbaren Energien nimmt die Biomasse mit 87,5 % ein, wie die Abbildung 2-5 zeigt. Dies wird unter anderem durch die gute lokale Verfügbarkeit und die gesetzliche Förderung begünstigt.5 Des Weiteren sind die Kosten im Vergleich zu anderen nachhaltigen Systemen durch die vielfältige Nutzung geringer. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass unter dem Begriff Bioenergie viele unterschiedliche Rohstoffe zusammengefasst werden.

Abbildung 2-5:

Wärmeverbrauch aus erneuerbaren Energien 20166

Problematisch für den Ausbau der erneuerbaren Energien innerhalb der Wärmeversorgung ist die Marktstruktur. Derzeit herrscht große Unsicherheit bezüglich der künftigen Entwicklung der Wärmeinfrastruktur. Dadurch entsteht ein hohes Investitionsrisiko, welches viele Eigentümer und Investoren scheuen.7 Dazu kommen, wie bereits erwähnt, die hohen Investitionskosten in Wärmeversorgungsanlagen sowie fehlendes Wissen und damit verbundene weitere Unsicherheiten.8 Weiterhin lässt sich eine Diskontinuität innerhalb der politischen Zielsetzung feststellen. Dies zeigt sich durch wechselnde Förderbedingungen und durch mangelnde richtungsweisende politische Entscheidungen.9 Soziale Strukturen verstärken diesen Effekt, etwa durch die geringe Eigentümerquote10 von 45,5 % im Jahr 2014 in Deutschland.11 Dadurch muss bei Investitionen immer das Investor-Nutzer-Dilemma12 beachtet werden.13 Es muss somit gezielt auf die Voraussetzungen und Gegebenheiten des Wärmemarktes bei seiner zukünftigen Entwicklung eingegangen werden.14 Die stark volatile Erzeugung durch erneuerbare Energien erschwert eine versorgungssichere Wärmebereitstellung.15 Um dieses Hindernis zu überwinden, muss eine Speichermöglichkeit für die Energie zur Verfügung stehen.16 Die Potenziale von erneuerbaren Energien sind zum derzeitigen Zeitpunkt nicht ausgeschöpft.17

Für die Versorgung mit Wärme und der Wahl eines Versorgungssystems müssen gegebenenfalls rechtliche Bestimmungen beachtet werden. So sind in einigen Gebieten Anschlusspflichten für Fernwärme vorzufinden. Dies wird in Bebauungsplänen geregelt und kann insbesondere Neubaugebiete betreffen.18

Im vorherigen Abschnitt ist die Bedeutung der privaten Haushalte für den Endenergieverbrauch im Sektor Wärme verdeutlicht wurden, so dass der Energiemix für die Wärmeversorgung der privaten Haushalte noch einmal gesondert betrachtet werden soll. Abbildung 2-6 zeigt, dass der Anteil von Fernwärme, das heißt zentraler Wärmeversorgung, im privaten Bereich gering ist im Vergleich zu einer dezentralen Versorgung mit Heizkesseln, welche mit Mineralölen und Gasen betrieben werden. Die am häufigsten vertretenen Energieträger für die Versorgung sind Gas und Mineralöl sowie erneuerbare Energien.

Abbildung 2-6:

Wärmemix der privaten Haushalte für das Jahr 201619

Für die Wahl einer Versorgungsanlage sind in privaten Haushalten unter anderem die Nutzungskosten20, welche im Wesentlichen die Energiekosten darstellen21, entscheidend. Die Entwicklung der zukünftigen Energiepreise ist jedoch von unterschiedlichen externen Faktoren abhängig, so dass eine Einschätzung der Entwicklung erschwert wird. Externe Faktoren sind zum Beispiel politische und wirtschaftliche Krisen sowie die technische Entwicklung. Auffällig in Abbildung 2-7 ist ein steigender Trend für Strom22 in den vergangenen Jahren, während die Preise für Fernwärme, Mineralöl, Erdgas und Holzpellets relativ stabil bleiben.

Abbildung 2-7:

Entwicklung Energiepreise23

Die Versorgung mit Wärme und die Wahl der Brennstoffe sind von der Art des Betriebes abhängig. Es ist somit unerlässlich, nachfolgend die Akteure am Wärmemarkt zu betrachten.

2.2.4 Akteure und Betreiberkonzepte am Wärmemarkt

Nachdem im vorangegangenen Kapitel eine Unterteilung des Wärmesektors in die Energieträger durchgeführt wurde, sollen im Folgenden die beteiligten Akteure in dem Sektor erläutert werden. In Deutschland existiert eine Vielzahl von Anbietern im Wärmesektor.1 Neben diesen zahlreichen Anbietern stehen verschiedene Technologien zur Versorgung bereit. Bei der Sanierung oder dem Neubau eines Gebäudes muss somit unter verschiedenen Gesichtspunkten eine Wahl für die Wärmeversorgung getroffen werden. Dabei haben unterschiedliche Konzepte und Technologien verschiedene Vor- und Nachteile. Die individuellen Randbedingungen sind darüber hinaus zu berücksichtigen.

In Deutschland stehen unterschiedliche Beheizungsarten zur Verfügung, welche nach ihren Anteilen in Tabelle 2-2 dargestellt sind. Den größten Anteil besitzen dabei Zentralheizungen, welche auf konventionellen Energieträgern beruhen. Heizungen, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden, sind nur in geringem Maße vorhanden.

Tabelle 2-2:

Beheizungsarten Deutschland 20152

Für die Versorgung mit Wärme in Deutschland stehen unterschiedliche Betreiberkonzepte und Versorgungsmöglichkeiten zur Verfügung. Die wichtigsten sind:

1 Lieferung Energieträger, z.B. Gas, Heizöl, Holz/Holzpellets, Strom,

2 Fernwärmeunternehmen und Lieferung von Fernwärme,

3 Wärmecontracting.

Das Wärmecontracting ist dabei gesondert zu betrachten, da es sich hierbei um ein reines Vertragsmodell handelt.

Die verschiedenen Betreiberkonzepte unterscheiden sich in ihrer Betriebsweise und den Vertragsbedingungen mit dem Wärmeabnehmer. Sie sollen im Folgenden jeweils kurz beschrieben werden.

2.2.4.1 Lieferung Energieträger

Im dezentralen Wärmeversorgungsbereich, beispielsweise durch einen Heizkessel oder eine Wärmepumpe, müssen die Energieträger oder die Brennstoffe an den Kunden geliefert werden. Diese Lieferung kann bedarfsabhängig, beispielsweise bei der Lieferung von Gas an den Hausanschluss, oder vorrätig, zum Beispiel bei der Lieferung von Heizöl oder Pellets, erfolgen.1 Wie bereits dargestellt, ist dies die häufigste Versorgungsart mit Wärme in Deutschland. Durch den eigenen Betrieb und die eigene Investition besteht jedoch die Gefahr einer Überalterung der Heizungsanlage, wie die Untersuchung des BDEW in Abbildung 2-8 nachweist. Es zeigt sich insbesondere bei Mehrfamilienhäusern ein Modernisierungsbedarf, da zum Zeitpunkt der Untersuchung 26 % der Anlagen älter als 25 Jahre waren. Mehr als die Hälfte der Heizungen in diesen Gebäuden wurde vor dem Jahr 2000 installiert und entsprechen nicht dem heutigen Stand der Technik. Das durchschnittliche Heizungsalter beträgt für Wohnungen 16,6 Jahre, für Ein- und Zweifamilienhäuser 15,9 Jahre und für Mehrfamilienhäuser 20,1 Jahre.

Abbildung 2-8:

Alter der Heizungsanlagen2

Neben den Investitionskosten der Anlage müssen die Nutzungs- und Betriebskosten, wie zum Beispiel Kosten für Wartung und Instandsetzung, einberechnet werden. Dazu kommen die Kosten für die Brennstoffe, welche wie im vorherigen Abschnitt gezeigt, zum Teil schwanken können. Die Risiken des Betriebes sind somit von den Brennstoffkosten und den Wartungskosten abhängig und müssen vom Eigentümer getragen werden. Der Einsatz von den jeweiligen Energieträgern muss in diesem Fall in Abhängigkeit der Wohnform, Mehrfamilienhäuser oder Einfamilienhäuser und der geografischen Lage in Deutschland betrachtet werden.3 Auf Grund des Umfanges dieser Arbeit soll auf die einzelnen Anlagenvarianten zur Wärmeversorgung nicht näher eingegangen werden. Die Anschaffungs- und Betriebskosten variieren zum Teil stark hinsichtlich der unterschiedlichen Versorgungsanlagen. Für die Lieferung der Brennstoffe wird ein Vertrag mit dem Lieferanten abgeschlossen.4

2.2.4.2 Fernwärmeversorgung

Die Fernwärmeversorgung in Deutschland ist definiert als „Wärme beliebiger Herkunft, die mit Hilfe eines Trägermediums (meistens Heizwasser oder Dampf) gewerblich aufgrund eines Vertrages gegen Entgelt geliefert wird und mit deren Lieferung keine eigenen mietrechtlichen Nebenverpflichtungen erfüllt werden. Auf jede Form der Wärmelieferung ist die AVBFernwärmeV anzuwenden.“1 Die Definition der Fernwärme ist nicht eindeutig, da beispielsweise nicht zwischen Fern- und Nahwärme differenziert wird und Eigentumsverhältnisse nicht geklärt sind.2

Fernwärme zur Wärmeversorgung von Gebäuden existiert in Deutschland, wie in Abschnitt 2.2.3 dargestellt, deutlich weniger als Einzelheizungen. Jedoch lässt sich insbesondere im Osten Deutschlands eine stärker ausgebaute Struktur vorfinden.3 Ein verstärkter Ausbau der Infrastruktur in diesem Bereich lässt sich nicht feststellen, welcher durch die politische Fokussierung auf andere Schwerpunkte der Energiepolitik, wie zum Beispiel Gebäudeeffizienz und Stromausbau, zu begründen ist.4 Der Verbrauch von Fernwärme ist seit 2002 angestiegen, wie Abbildung 2-9 zeigt. Dieser Anstieg lässt sich unter anderem durch das verabschiedete KWK-Gesetz und der daraus folgenden Förderung erklären.5 Danach lassen sich jedoch immer wieder Schwankungen und kein stärkerer Ausbau erkennen.

Der Ausbau der Infrastruktur und die damit verbundenen Kosten können für die zukünftige Nutzung von Fernwärme ein Problem darstellen.6

Fernwärme kann über fossile oder erneuerbare Energien zur Verfügung gestellt werden. Die Wärme wird in zentralen Heizkraftwerken erzeugt. Abbildung 2-10 verdeutlicht die Verteilung der Energieträger bei der Wärmeerzeugung. Aus fossilen Brennstoffen wird bislang 78 % der Wärme bereitgestellt.

Abbildung 2-9:

Verbrauch von Fernwärme in Deutschland von 1990 bis 20167

Abbildung 2-10:

Wärmeerzeugung Fernwärme im Jahr 20168

Die Fernwärme ist jedoch im Besonderen geeignet, erneuerbare Energien einzubeziehen.9 Dies kann auf verschiedene Weisen erfolgen, wie zum Beispiel durch Erdwärme oder industrielle Abwärme.10 So stellen Fernwärmenetze eine Flexibilitätsoption für KWK-Anlagen dar, welche auch den Einsatz von erneuerbarem Strom im Wärmesektor, zum Beispiel über Power-to-heat, ermöglichen.11 Überdies können solarthermische Anlagen in Wärmenetze eingebunden werden. Beispielhaft dafür sind die Anlagen in Dänemark zu nennen.12 Die Möglichkeiten der Fernwärmenutzung in Deutschland sind in Abbildung 2-11 dargestellt. Für die erfolgreiche Implementierung von Fernwärmenetzen sollten die Bürger in den Planungsprozess eingebunden werden. Dadurch können die Vorteile der Netzstruktur und die Kostenentwicklungen transparent dargestellt werden.

Abbildung 2-11:

Leitlinien Fernwärmestrategie13

Kritisch bei der Fernwärmeversorgung müssen die zum Teil intransparente Preisstruktur14 sowie die Wärmeverluste in den Netzen gesehen werden. Die Aufwendungen der Pumpleistungen für den Transport der Wärme sind ebenfalls nicht unerheblich.15