Technische Möglichkeiten der Wärmeerzeugung

Wärmekraftwerke nutzen eine Wärmekraftmaschine zum Antrieb eines Generators. Zu ihnen zählen Kraftwerke für fossile Brennstoffe wie Kohle, Öl und Gas, Kraftwerke, die Müll und Biostoffe verbrennen, sowie geothermische und solarthermische Kraftwerke. Die meisten Wärmekraftwerke sind Dampfkraftwerke. Sie erzeugen durch die Verbrennung eines Energieträgers Wärme, durch die Wasser erhitzt und verdampft wird. Der Dampf treibt eine Dampfturbine an, die ihre mechanische Energie an einen Generator überträgt, in dem Strom erzeugt wird.

Bei der Umwandlung von Wärme zu elektrischer Energie ist also Wasser/Wasserdampf das charakteristische Arbeitsmittel. Ausnahmen sind Gasturbinenkraftwerke. Hier wird kein Dampf erzeugt, sondern das verbrannte, unter hohem Druck stehende Abgas wird aus einer speziellen Brennkammer direkt auf die Turbinenschaufeln geleitet. Anstelle von Wasserdampf treibt die Ausdehnung des Verbrennungsgases die Turbine an. Kleinere Blockheizkraftwerke zur gleichzeitigen Bereitstellung von Wärme und Strom arbeiten mit einem Verbrennungsmotor.

Als Fernwärme wird die Wärmelieferung zur Versorgung von Gebäuden mit Raumwärme und Warmwasser bezeichnet. Der Transport der thermischen Energie erfolgt in einem wärmegedämmten Rohrsystem, das überwiegend erdverlegt ist. Ein Fernwärmenetz setzt sich u.a. aus folgenden Komponenten zusammen:

Heizkraftwerk

Strom und Wärme werden in einem gekoppelten Prozess erzeugt. Die Brennstoffe Gas, Öl, Kohle oder Biomasse verbrennen in einem Heizkessel oder Dampferzeuger bei über 1.000 °C. Der dabei entstehende Wasserdampf treibt eine Turbine an. Die Turbine ist mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt. Danach gelangt der Abdampf in die Heizkondensatoren, wo er seine Restwärme an das Fernwärmenetz abgibt.

Fernwärmeleitung

Heizwasser wird innerhalb des Fernwärmeverbundnetzes im geschlossenen Kreislauf zwischen den Wärmetauschern im Heizkraftwerk und den Gebäuden in Rohren umgewälzt.

Wärmetauscher im Haus

Die Fernwärme wird in der Regel im Keller eines Hauses angeliefert. Ein Wärmetauscher überträgt die Wärmeenergie an die Raumheizkörper und erwärmt Kaltwasser zu Warmwasser.

Außerhalb der großen Fernwärmenetze gewinnt die dezentrale Wärmeversorgung an Bedeutung. Hier kommen Kesselanlagen, Blockheizkraftwerke und Wärmepumpensysteme zum Einsatz. Kleine Anlagen, wie sie in dezentralen Anordnungen zum Einsatz kommen, führen in der Regel zu höheren spezifischen Investitionen, erhöhen aber auch die dezentrale Wertschöpfung in Städten und Gemeinden.

Unter Power-to-Heat (PtH) versteht man die Erzeugung von Wärme unter dem Einsatz von Strom. Dies kann sowohl über herkömmliche Elektroheizungen (Tauchsiederprinzip) als auch über Wärmepumpenheizungen erfolgen.

Als Power-to-Heat können im Niedertemperaurbereich auf dezentraler Ebene Heizstäbe oder Heizpatronen eingesetzt werden. Im Niedertemperaturbereich ist eine weitere Technologieoption der Einsatz von wärmenetzgebundenen Großwärmepumpen. Im großtechnischen Bereich spricht man von einem Elektrokessel oder einem Elektrodenheizkessel.

Power-to-Heat ist vor allem im großtechnischen Bereich eine sinnvolle Flexibilitätsoption für den sicheren Betrieb des deutschen Stromnetzes sowie die effektive Nutzung von Überschussstrom. Power-to-Heat kann dabei nicht nur Strom aus erneuerbaren Energien, der sonst nicht genutzt würde, für den Wärmesektor erschließen, sondern auch konventionell erzeugten Strom.

Brennwertkessel sind Heizkessel für Warmwasserheizungen. Sie arbeiten effizient und energiesparend, da sie die bei der Verbrennung entstehende Abgaswärme zusätzlich nutzbar machen und dem Heizungssystem zuführen.

Dies erfolgt durch die Abkühlung der Abgase auf ca. 55 °C. So wird die im Wasserdampf enthaltene Energie in Form von Kondensationswärme freigesetzt. Die Nutzung der Kondensationswärme führt zu einer zusätzlichen Brennstoffausnutzung von bis zu 11 Prozent. So haben Brennwertkessel einen um 15 Prozent höheren Wirkungsgrad gegenüber Niedertemperaturkesseln. Die Brennwerttechnik ist Stand der Technik.

Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, die niedrige Umgebungswärme aufnimmt und – mit Hilfe elektrischer Antriebsenergie – als höhere Nutzwärme auf eine Raumheizung überträgt. Das Prinzip der Wärmepumpe verwendet man umgekehrt auch beim Kühlschrank.

Die Wärmepumpe nutzt also unter thermodynamischen Prinzipien die Umweltwärme (Erde, Wasser, Luft), um das bis zum Fünffache der elektrischen Antriebsenergie als Nutzenergie zum Heizen und Kühlen bereitzustellen. Sie kann (bei Vorhandensein eines ausreichenden Wärmespeichers) ohne Komfortverlust geschaltet und gesteuert werden und bietet damit auch Potenzial für den Einsatz in intelligenten Netzen. Die Wärmepumpe kann lokale Einspeise-Überschüsse, die bei Wind und Photovoltaik auftreten, in Form von Wärme speichern.

Der Bestand von derzeit circa 450.000 Wärmepumpen bietet bereits heute ein nennenswertes Potenzial für das Lastmanagement.

Unter Solarthermie versteht man die Umwandlung der Sonnenenergie in nutzbare thermische Energie. Sie zählt zu den erneuerbaren Energien.

Solarthermische Anlagen in Form von Flach- oder Vakuum-Röhrenkollektoren nutzen die Sonnenstrahlung zur Wärmegewinnung. Zentraler Bestandteil des Kollektors ist der Solarabsorber, der die Strahlungsenergie der Sonne in Wärme umwandelt und diese an einen ihn durchfließenden Wärmeträger abgibt - häufig mit einem Frostschutzmittel versetztes Wasser. Mit Hilfe dieses Wärmeträgers wird die Wärme aus dem Kollektor abgeführt und anschließend direkt verwendet oder gespeichert.

Heute sind in Deutschland rund zwei Millionen Anlagen mit etwa 18 Millionen m² Kollektorfläche auf deutschen Dächern installiert (Stand 2015). Sie unterstützen in rund 10 Prozent des Gebäudebestands in Deutschland die Wärmeversorgung.

Dieses Verfahren nutzt (Überschuss-)Strommengen: Mit Hilfe von Strom wird Wasser (H2O) in seine Bestandteile gespalten. Der dabei im ersten Schritt entstehende Wasserstoff wird entweder direkt, bei größeren Mengenanteilen in der Regel jedoch nach einem zweiten Schritt (bei dem aus dem Wasserstoff Methan zu erzeugt wird) in das Erdgasnetz und gegebenenfalls in dessen Speicher eingeleitet.

Das Konzept Power-to-Gas erlaubt es also, den Strom über längere Zeiträume als Wasserstoff oder als Methan zu speichern. So erzeugte Gase können in der Industrie, zum Heizen oder als Antriebsenergie im Verkehr eingesetzt werden. Sie können aber auch wieder in Strom umgewandelt werden.

Brennstoffzellen erzeugen aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom und Wärme. Brennstoffzellen-Heizgeräte nutzen ein sehr einfaches Prinzip: die Elektrolyse – nur auf umgekehrte Weise. Wasserstoff hat die natürliche Eigenschaft, von sich aus zusammen mit Sauerstoff wieder zu Wasser reagieren zu wollen. Unter kontrollierten Bedingungen kommt es ohne externe Energiezufuhr zu einer „Knallgasreaktion“. Dabei wird Energie frei. Brennstoffzellen sparen bei der kombinierten Wärme- und Stromerzeugung etwa ein Drittel Primärenergie im Vergleich zur getrennten konventionellen Erzeugung. Brennstoffzellengeräte sind für den Einsatz in Ein- und Zweifamilienhäusern konzipiert.

Methan aus Biomasse ist ein regelbarer erneuerbarer Energieträger, der in die bestehende Erdgasinfrastruktur eingespeist und dort – auch saisonal - gespeichert werden kann. Seine Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten sind identisch mit denen von normalem Erdgas. Es erlaubt eine flexible und bedarfsgerechte Stromerzeugung. Methan aus Biomasse kann dezentral in hocheffizienten Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) die tages- oder jahreszeitlichen Schwankungen fluktuierender erneuerbarer Erzeugung ausgleichen.
Das Methan entsteht bei der Vergärung von organischen Substanzen unter Ausschluss von Sauerstoff und Licht in eigens dafür gebauten Anlagen. Als Quellen dienen unter anderem Energiepflanzen wie Mais oder Getreidepflanzen, Reststoffe aus der Landwirtschaft (Gülle, Mist) und Bioabfälle aus Privathaushalten oder Gewerbebetrieben.

Geothermie (Erdwärme) ist die unterhalb der festen Oberfläche der Erde gespeicherte Wärmeenergie. Je tiefer man in das Innere der Erde vordringt, desto wärmer wird es. In Mitteleuropa nimmt die Temperatur um etwa 3 °C pro 100 Meter Tiefe zu. Je nach Tiefe der Bohrung unterscheidet man zwei Arten der Geothermie: oberflächennahe Geothermie und tiefe Geothermie.
Die oberflächennahe Geothermie nutzt Bohrungen bis ca. 400 Meter Tiefe und Temperaturen bis 25 °C für das Beheizen und Kühlen von Gebäuden, technischen Anlagen oder Infrastruktureinrichtungen. Dabei wird zunächst meist ein Wärmetauscher eingesetzt. Das bedeutet, Wasser oder eine Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert in einem geschlossenen Rohrsystem im Untergrund und nimmt die Wärme aus dem Boden auf. Diese Wärme wird an der Oberfläche an eine Wärmepumpe abgegeben und durch sie auf das zum Heizen notwendige Temperaturniveau gebracht.

Bei der tiefen Geothermie wird in Deutschland fast ausschließlich das sogenannte Dubletten-System angewendet. Diese Anlagen bestehen aus einer Förder- und einer Reinjektionsbohrung. Durch die Förderbohrung wird das heiße Thermalwasser aus dem Untergrund aus ca. 2 bis 4 Kilometer Tiefe nach oben transportiert. An der Oberfläche wird ein Teil seiner geothermischen Wärme durch einen Wärmeübertrager ausgekoppelt und zur Wärmeversorgung sowie optional zur Stromerzeugung eingesetzt. Das dadurch abgekühlte Thermalwasser wird anschließend über die Reinjektionsbohrung wieder in den Untergrund eingebracht. Tiefe Geothermieprojekte werden zur Wärmeversorgung ganzer Ortschaften und Stadtteile eingesetzt bzw. zur Erzeugung von Strom. Derzeit wird in Deutschland die tiefe Geothermie noch gering genutzt.