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Solarthermie-Anlagen für Nah- und Fernwärme

Wie werden Solarthermie-Anlagen in Wärmenetzen eingesetzt? Welche technischen Restriktionen gibt es? Wieviel CO2 lässt sich in Nah- und Fernwärmenetzen einsparen?

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.

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Funktion und Aufbau solarer Nah- und Fernwärmenetze

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.

Am österreichischen Fernheizwerk in Graz speist eine Freiflächen-Solarthermieanlage 4.000 MWh Wärme pro Jahr direkt ins Fernwärmenetz ein. Zum Einsatz kamen MEGA-Kollektorsegmente mit 78 Röhren von AkoTec. (Foto: AkoTec Produktionsgesellschaft  mbH)
Am österreichischen Fernheizwerk in Graz speist eine Freiflächen-Solarthermieanlage 4.000 MWh Wärme pro Jahr direkt ins Fernwärmenetz ein. Zum Einsatz kamen MEGA-Kollektorsegmente mit 78 Röhren von AkoTec. (Foto: AkoTec Produktionsgesellschaft mbH)

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.

Um die gewonnene Wärmeenergie auch langfristig nutzbar zu machen und den Deckungsgrad zu erhöhen, kommen saisonale Langzeit-Wärmespeicher zum Einsatz. (Foto: AkoTec Produktionsgesellschaft mbH)
Zum einen kann das Netz selbst als Kurzzeit-Wärmespeicher fungieren. Um die gewonnene Wärmeenergie auch langfristig nutzbar zu machen und den Deckungsgrad zu erhöhen, kommen saisonale Langzeit-Wärmespeicher zum Einsatz. (Foto: AkoTec Produktionsgesellschaft mbH)

Restriktionen solarer Nah- und Fernwärmenetze

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.

Hier sehen Sie den "Energiebunker" im Hamburger Wilhelmsburg, der per Nahwärme das Reiherstiegviertel beheizt.
Der "Energiebunker" im Hamburger Wilhelmsburg versorgt das Nahwärmenetz des Reiherstiegviertels mit Wärme aus einem Biomethan-BHKW, einer Holzheizung, einer Solarthermie-Anlage und mit Abwärme eines Industriebetriebes. (Foto: energie-experten.org)

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.

CO2-Reduktionspotential von Solarthermie in Wärmenetzen

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.

Verbreitung solarthermischer Wärmenetze in der EU

In den Ländern der Europäischen Union gibt es 2018 fast 300 Solarthermie-Anlagen mit einer Leistung über 350 kWth, 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 sind 2018 rund 25 große Solarthermie-Anlagen mit Anbindung an ein Wärmenetz in Betrieb. Weitere Anlagen mit einer Gesamtleistung von rund 40 MWth sind in Planung und Vorbereitung. Das stärkste Marktsegment sind zum jetzigen Zeitpunkt Energiedörfer. Gleich fünf solcher Solarthermie-Anlagen sollen 2018 in Betrieb gehen. Sie entstehen in Randegg und Liggeringen (beide in Baden-Württemberg), Mengsberg (Hessen), Ellern (Rheinland-Pfalz) sowie Breklum (Schleswig-Holstein).

Aktiv sind aber auch städtische Energieversorger, wie an der größten netzgebundenen Solarwärmeanlage Deutschlands im brandenburgischen Senftenberg und einer neuen Pilotanlage der Stadtwerke Düsseldorf zu erkennen ist. Experten gehen davon aus, dass sich bei Großanlagen die Kollektorfläche in Deutschland in den nächsten Jahren verdoppeln wird. Den wesentlichen Teil der derzeitigen Planungen sehen sie dabei im Segment der städtischen Fernwärme.

Führend ist hingegen immer noch Dänemark. 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.

Deutlich zeigt sich an den dänischen Beispielen, wie durch die großen Wärmespeicher die Nutzung erneuerbarer Energien und der Strom-Wärme-Sektorenkopplung auf lokaler Ebene „smart“ kombiniert werden können. Durch die Großspeicher können sowohl KWK-Anlagen als auch Power-to-Heat-Anlagen optimal betrieben werden.

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Weitere Informationen zur Anwendung von Solarthermie-Anlagen

"Solarthermie-Anlagen für Nah- und Fernwärme" wurde am 27.04.2018 das letzte Mal aktualisiert.