Solarthermie-Anlagen für Nah- und Fernwärme

Solarwärme kann auch in Wärmenetze eingespeist werden. Dabei kommen solarthermische Großanlagen zum Einsatz, die per Nah- oder Fernwärmenetz Stadt-Quartiere, Wohngebiete oder ganze Dörfer zentral mit Wärme versorgen. Dabei spricht man auch von solarer Nahwärme oder von solarer Fernwärme. Die Kollektorfelder werden auf Freiflächen installiert oder in Gebäudedachflächen integriert. Meist deckt die Solarwärme allerdings nur einen Teil des Wärmebedarfs (solarer Deckungsgrad) von etwa bis zu 50 % ab. Der restliche Wärmebedarf wird von Wärmeerzeugern wie beispielsweise Heizkessel, BHKW oder Wärmepumpen bivalent bei Bedarf bereitgestellt.

Solarthermie-Anlagen können nicht nur die Wärmeversorgung von Ein-, Zwei- oder auch Mehrfamilienhäuser einzelnd unterstützen. Mit Solarthermie können auch Nah- und Fernwärmenetze ("kalte Wärmenetze") versorgt werden. Dabei wird von einer zentralen Solarthermie-Anlage aus Wärme in ein Wärmenetz eingespeist, die dann über eine einige hundert oder auch tausend Meter lange Wärmeleitung zu den Wärmeabnehmern transportiert wird. Das kalte Wasser fließt dann in einer weiteren Wärmeleitung zurück zur Solarthermie-Anlage. Vorgeschaltete Pufferspeicher mit Fassungsvermögen von häufig mehreren hunderttausend Litern Wasser sorgen in diesem System für eine zeitliche Trennung von Erzeugung der Solarthermie und Einspeisung in das Nah- oder Fernwärmenetz.

In Solarthermie-Anlagen zur Brauchwassererwärmung oder Heizungsunterstützung kommen fast ausschließlich Kurzzeit-Wärmespeicher zum Einsatz. Um einen höheren Deckungsbeitrag der Solarthermie-Anlage zu erreichen, werden in solaren Wärmenetzen Langzeit-Wärmespeicher eingesetzt, die Wärme auch über Monate hin speichern können. So können insbesondere Wärmeüberschüsse im Sommer bis in den Winter hinein gespeichert und dann in das Nah- oder Fernwärmenetz abgegeben werden. Dies hat zudem den Vorteil, dass mit der Größe des Pufferspeichers auch die Energieverluste und damit auch Speicherkosten abnehmen. Dies erhöht wiederum die Wirtschaftlichkeit der Solarthermie-Anlage gegenüber einer reinen dezentralen Nutzung.

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In der Praxis können solarthermisch versorgte Nahwärme- und Fernwärmenetze immer nur zu einem gewissen Anteil den für Raumheizung und Brauchwassererwärmung benötigten Wärmebedarf der an das Wärmenetz angeschlossenen Haushalte decken. Um Bedarfsspitzen wie z. B. im Winter zu bedienen, wird immer noch eine weitere Zusatzheizung notwendig. Eine Auslegung der Solarthermie-Anlage nach dem höchsten Wärmebedarf des Nahwärme- oder Fernwärmenetzes im Winter würde zu einem enormen Wärmeüberschuss im Sommer und in den Übergangsmonaten führen, was wiederum die Unwirtschaftlichkeit der Solarthermie-Anlage nach sich ziehen würde.

Solarthermie-Anlagen zur Versorgung von Fernwärme- oder Nahwärmesystemen weisen zudem andere thermodynamische Anforderungen an die Regelungstechnik und Hydraulik auf. So herrschen in solaren Wärmenetzen niedrigere Rücklauftemperaturen, die wiederum eine andere Auslegung der Wärmenetze erfordert. Und auch die Speichertechnik insbesondere zur Aufnahme verschiedener Heizwärmeerzeuger mit unterschiedlichen Temperaturen weisen noch Optimierungsbedarf auf.

Es gibt zudem Hürden bei der Umsetzung von solarthemischen Nah- und Fernwärme-Projekten. Die größte Barriere besteht in dem Flächenbedarf für erneuerbare Energien wie z.B. die Solarthermie. Um Kosten zu minimieren, müssen sie in der Nähe der Wärmeabnehmer installiert sein, und Landflächen in Städten oder im Umland sind meist knapp und teuer.

Dazu kommt die Kostenkonkurrenz zu anderen Wärmeerzeugern, zum Beispiel mit günstigem Erdgas. Gleichwohl: Solarthermie-Anlagen können heute schon solare Deckungsgrade bis zu 50 % in Wärmenetzen erreichen.

Zukünftig werden solarthermische Großanlagen daher auch auf Parkhäusern, Gewächshäusern, auf Industrie- und Geschosswohnungsbauten, auf still gelegten Mülldeponien oder Bunkern („Energie-Bunker“ in Hamburg-Wilhelmsburg), bei Klärwerken, an Lärmschutzwänden oder aufgeständert über landwirtschaftlichen Flächen wie bei Agro-Photovoltaik-Anlagen errichtet werden.

Außerdem ist es aktuell noch eine Nischentechnologie und das Wissen darüber ist noch zu wenig verbreitet. Daher haben Solarthermie-Anlagen in Wärmenetzen immer noch einen gewissen Modellprojektcharakter.

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Zur Erreichung der CO₂ -Minderungsziele der Bundesregierung muss laut Szenarien des Bundesumweltministeriums (BMU) der Anteil der Fernwärme im deutschen Wärmemarkt deutlich gesteigert werden. Die im Jahr 2050 genutzte Wärmemenge aus erneuerbaren Energien soll zu 60 % auf Wärmenetzen beruhen. Damit ist die Basis für ein enormes CO₂-Einsparpotential gelegt und die über Netze verteilte Wärme soll sich gegenüber dem heutigen Stand verdreifachen.

Solarthermie, eine der wenigen Technologien die Wärme ohne Ausstoß von CO₂ erzeugt, eignet sich besonders, um die CO₂-Minderungsziele der Bundesregierung zu erreichen. Auch spricht die Energieamortisationszeit (Zeitspanne, in der die in das Bauteil investierte Energiemenge für die Erstellung und Produktion desselben durch die während des Betriebs erbrachte Energiemenge ausgleicht) bei Sonnenkollektoren von unter einem Jahr deutlich für diese Technologie.

Die solare Einspeisung in Wärmenetze führt zu einer enormen CO₂-Minderung. Das jährliche Gesamteinsparpotential durch die Solarthermie beträgt in Deutschland ca. 45.000 GWh Wärme und ca. 315.000.000 Tonnen CO₂ Ausstoß. Fokussiert man lediglich auf die Sonnenenergie für die sommerliche Nutzung liegt ein jährliches CO₂- Reduktionspotential von 105.000.000 Tonnen CO₂ vor. Bilanziert auf die Lebenszeit der einzelnen Anlagen (20 Jahre) können 2.1 Mrd. Tonnen CO₂ Emission reduziert werden.

Laut Bundesministerium für Wirtschaft und Energie beträgt der Anteil der Fernwärme für die Haushalte seit 1990 jährlich rund 45.000 GWh Wärme. Das entspricht ca. 315.000.000 Tonnen CO₂ Ausstoß. Dies ist das jährliche Gesamteinsparpotential die theoretisch durch die Solarthermie eingespart werden könnten. Um dieses Potenzial komplett auszuschöpfen wären jedoch saisonale Speicher erforderlich. Für Speicher fehlen in weiten Teilen der Republik die Aufstellmöglichkeiten. Daher wird nach wie vor die sommerliche Nutzung der Solarthermie im Fernwärmesektor im Fokus stehen. Aber selbst ohne Langzeitspeicher gibt es ein immenses jährliches CO₂- Reduktionspotential von 105.000.000 Tonnen pro Jahr.

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In den Ländern der Europäischen Union gibt es 2018 fast 300 Solarthermie-Anlagen mit einer Leistung über 350 kW_th, die in Wärmenetze einspeisen. Die installierte Gesamtkapazität liegt bei rund 1.100 Megawatt. Solarthermieanlagen tragen europaweit damit bereits eine Terawattstunde (= 1 Mrd. kWh) zur Fernwärmeversorgung bei. Die Erzeugungskosten liegen bei 30 bis 50 €/MWh.

In Deutschland waren Anfang 2018 rund 25 große Solarthermie-Anlagen mit Anbindung an ein Wärmenetz in Betrieb. Weitere Anlagen mit einer Gesamtleistung von rund 40 MW_th wurden 2018 u.a. in Randegg und Liggeringen (beide in Baden-Württemberg), Mengsberg (Hessen), Ellern (Rheinland-Pfalz) sowie Breklum (Schleswig-Holstein) in Betrieb genommen. Vor Allem bestehende Netze in (Bio-)Energiedörfern wurden mit einer großen Solarthermie-Anlage ergänzt.

International ist hingegen immer noch Dänemark führend. Hier gibt es mittlerweile über 110 Anlagen mit rund 700 MW thermischer Leistung. Dass Dänemark diese Vorreiterrolle einnehmen konnte, liegt auch an den politischen und infrastrukturellen Gegebenheiten. Zum einen sind die fossilen Brennstoffe Öl und Gas hoch besteuert. Zum anderen ist die Fernwärme in Dänemark stark verbreitet.

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