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Die Treibhausgasemissionen auf netto null zu reduzieren ist eine riesige Herausforderung. Um die gesetzten Klimaschutzziele zu erreichen, müssen die Energiestrategien überdacht und die zur Verfügung stehenden lokalen Wärmequellen (Abwärmen, Seewasser, Grundwasser, Luft, Holz, Biogas etc.) besser genutzt werden.
Noch tun sich viele Energieversorgungsunternehmer und Gemeinden schwer mit dem Ausstieg aus der Gasversorgung. Einerseits stellte die Versorgung mit Gas über Jahrzehnte eine zuverlässige Einnahmequelle für Gemeinden und Städte dar, auf die nicht verzichtet werden wollte. Andererseits hat sich die Gasversorgung stets als die günstigste Wärmeversorgung erwiesen, was für viele Kunden ausschlaggebend für einen Anschluss ans Gasnetz war.
Erdgas durch erneuerbares Gas für die Wärmeversorgung (Biogas oder synthetisches Gas, das aus der Überproduktion von erneuerbarem Strom gewonnen wird) zu ersetzen, ist kaum realistisch, da das beschränkte Biogaspotenzial künftig vor allem der Industrie mit Hochtemperaturprozessen, der Mobilität und der Stromproduktion vorbehalten sein wird. Zudem wird der in Europa erzeugte Wasserstoff meist im Bereich der Mobilität (Transportwesen und Schifffahrt) gebraucht oder lokal eingesetzt werden. Machbar im Hinblick auf die Klimaschutzziele ist hingegen die Umwandlung der Gas- in Wärmenetze.
Holz ist sehr wahrscheinlich der Energieträger, der zuerst genannt wird, wenn es um die Transformation grösserer Gasversorgungsgebiete in Wärmenetze geht. Da Holz nur beschränkt verfügbar ist, ist eine überregionale Zuordnung nötig. Als hochwertiger Brennstoff sollte Holz prioritär für Prozesse mit hohen Anforderungen wie zum Beispiel für die Produktion von Heisswasser oder Dampf und die Stromproduktion eingesetzt werden. Für die Bereitstellung von Komfortwärme (Heizung und Brauchwarmwasser) sollte Holz nur in Betracht gezogen werden, wenn Alternativen wie Abwärmequellen, Grundwasser, Oberflächenwasser oder Geothermie fehlen. Eine wichtige Alternative, die in der Vergangenheit viel zu wenig genutzt wurde, ist das lokal, innerhalb der Systemgrenze vorhandene Wärmepotenzial. Gemeint ist Abwärme aus Industrieprozessen, aus der Nahrungsmittelverarbeitung, dem Betrieb von Rechenzentren oder aus Laborgebäuden (Aufzählung nicht abschliessend). Verfügbare Abwärme geht da meist mit der Kühlung von Prozessen einher.
Die Quellen sind vielfältig und verstreut. Und da die anfallende Abwärme bzw. der Kühlbedarf an Betriebszeiten gekoppelt ist, ist sie meist nicht zeitgleich mit dem Wärmebedarf verfügbar. Für die Nutzung sind Speicher und die Steuerung von Angebot und Nachfrage (Lastmanagement) nötig. Das unterscheidet sie von «konventionellen» Wärmenetzen.
Als lokale Lösungen können thermische Vernetzungssysteme vielerorts umgesetzt werden. Das kann zu einer kleineren Vernetzung in der Nachbarschaft bis hin zu grösseren Netzen für die Versorgung ganzer Gemeinden oder sogar über die Gemeindegrenzen hinaus führen.
In vielen Fällen wird die im Winter verfügbare Abwärmeleistung zum grossen Teil für das Heizen des eigenen Betriebs genutzt. Deshalb wird häufig angenommen, dass keine Wärme für weitere Nutzer angeboten werden kann. Wärme, die in den Übergangszeiten oder in den Sommermonaten verfügbar wäre, wird ausser Acht gelassen. Durch die saisonale Speicherung und Verlagerung dieser Wärme von den Sommermonaten in den Winter eröffnet sich jedoch ein riesiges Wärmenutzungspotenzial.
Damit dieses vollständig ausgeschöpft werden kann, braucht es passende Speichermöglichkeiten. Technologien sind bekannt und werden auch bereits breit eingesetzt (bspw. Erdspeicher mittels Erdwärmesonden). Ein Lastmanagement hilft zudem, die erforderliche Spitzenleistung im Netz zu senken. Ebenfalls muss die Trägheit der Gebäude mitberücksichtigt werden. Mit der Gebäudemasse lässt sich mehr puffern als mit Wasserspeichern. Das Thema Suffizienz trägt damit konkret zum nachhaltigen Betrieb bei (Zulassen von Überhitzung und Abkühlung von Gebäuden um bspw. +/−0,5 °C, Senkung der Raumtemperatur).
Für die Abwärmenutzung sind in den meisten Fällen Wärmepumpen nötig, was zu einer zunehmenden Elektrifizierung der Wärmeversorgung führt. Durch die Wechselwirkung zwischen Wärme und Kälte wird zwar ein Teil des Stroms für die Kälteversorgung eingespart, unter dem Strich wird allerdings mehr Strom gebraucht – vor allem in den Wintermonaten. So stehen wir vor einer weiteren Herausforderung in der Transformation der Energiesysteme: Wenn wir neue Wärmekonzepte entwickeln und auslegen, müssen wir auf einen effizienten Stromeinsatz achten. Systeme müssen auf einen möglichst effizienten Betrieb ausgelegt sein (geringe Temperaturhübe durch die Abwärmenutzung und tiefe Nutztemperaturen durch optimierte Heizungs- und Warmwasserabgabesysteme). Zur Vermeidung von Stromspitzen helfen wiederum intelligentes Lastmanagement und die Nutzung der Trägheit der Gebäude.
Ein möglichst grosser Teil des Strombedarfs der Wärmepumpen sollte mit PV-Anlagen vor Ort gedeckt werden. Der hohe Eigenverbrauchsanteil macht die Installation von PV-Anlagen auch wirtschaftlich interessant (Stichwort Zusammenschlüsse zum Eigenverbrauch). Jedoch lässt sich die Stromlücke so nicht decken. Dazu sind weitere Verstromungstechnologien nötig (z.B. Holzverstromung). Auch die fortschreitende Elektromobilität kommt dieser Entwicklung entgegen. Denn die Autobatterie dient als Stromspeicher für Mobilität und Heizung und kann den Eigenverbrauch zusätzlich optimieren.
Klar ist, dass diese Massnahmen zwar helfen, den zusätzlichen Strombedarf zu dämpfen. Es braucht aber weiterführende Massnahmen, um der zunehmenden Elektrifizierung zu begegnen. Das wird uns in den kommenden Jahren stark beschäftigen.
Der Verzicht auf fossile Energieträger hat seinen Preis. Wir müssen uns von den gewohnten Preisen von 12 bis 18 Rappen pro Kilowattstunde für die ins Haus gelieferte Wärme verabschieden. Die neuen Wärmeversorgungskonzepte führen zu rund 50 Prozent höheren Wärmegestehungspreisen, also 20 bis 25 Rp./kWh.
Neben den hohen Kapitalkosten für die Infrastruktur der thermischen Netze werden sich auch die höheren Strompreise auf die Wärmepreise auswirken.
Energiepreise sind immer in Bewegung. Es ist anzunehmen, dass der Gewinnungsaufwand von fossilen Energieträgern in Zukunft ebenfalls steigen wird und sich diese Entwicklung auch in den Energiepreisen niederschlägt. Damit werden die Wärmegestehungspreise von thermischen Netzen zunehmend konkurrenzfähig sein.
Grundsätzlich müssten wir uns die Energiepreissteigerung leisten können. In der Schweiz sind die Energiekosten, gemessen am durchschnittlichen Jahreseinkommen, sehr gering. Bei einem mittleren Monatslohn von 6500 Franken machen die Heizkosten nur etwa ein Prozent aus. Auch wenn der Energiepreis um 50 Prozent steigt, würde das Haushaltsbudget um weniger als ein zusätzliches Prozent belastet.
Flexible Preismodelle können massgeblich zur Erreichung der Energieziele beitragen, wenn sie verursachergerecht ausgestaltet werden. Ist die Nachfrage gross, steigt der Wärmepreis. Damit kann der Wärmebezüger dazu animiert werden, Lastspitzen zu brechen (Investition in Speicher, Zulassung von Temperaturschwankungen im Gebäude etc.). Das wiederum führt zu einem besser ausgelasteten Gesamtsystem. Die Idee ist, dass die Kosten, welche durch das Nutzerverhalten verursacht werden, verstärkt mit dem Preis gekoppelt sind (Verursacherprinzip). Geschäftsmodelle werden damit komplexer, als sie heute sind. Sie können so aber massgeblich zur Erreichung der Energieziele beitragen.
Die Familienheim-Genossenschaft Zürich (FGZ) betreibt seit 2014 das Anergienetz Friesenberg.
Dabei wird Abwärme aus den benachbarten Rechenzentren der Firmen Swisscom und Credit Suisse verteilt und über dezentrale Wärmepumpen zum Heizen von rund 1300 Wohneinheiten (Wohnungen und Reihenhäuser) genutzt. Im Sommer wird überschüssige Abwärme mithilfe von über 330 Erdsonden gespeichert und somit im Winter wieder gefördert. Die beiden Unternehmen profitieren gleichermassen von der Kühlung wie die FGZ von der Wärme aus dem Netz. Bei tiefen Netztemperaturen können sie direkt kühlen, ohne dass Kältemaschinen zum Einsatz kommen. Erst wenn die Temperatur im Netz steigt, werden Kältemaschinen eingesetzt. Die Einsparung beschränkt sich dann auf den geringeren Rückkühlbedarf und die Wassereinsparung für die hybride Rückkühlung. So lassen sich rund 40 Prozent bzw. jährlich 10'000 Kubikmeter vollentsalztes Wasser einsparen, was etwa dem vierfachen Inhalt eines Olympiaschwimmbeckens entspricht. Ein Grossteil des Strombedarfs deckt die FGZ über eigene PV-Anlagen, verteilt über die gesamte Wohnsiedlung (s. Titelbild).
Betrieben und unterhalten wird das Anergienetz durch die FGZ selbst. Dieselben Betriebsleute, die bis anhin Gasheizungen unterhalten haben, sorgen sich heute um die Wärmepumpen, Leitungsnetz und Erdsondenanlagen. Das Anergienetz wird derzeit weiter ausgebaut, mit dem Ziel, alle 2300 Wohneinheiten der Genossenschaft anzuschliessen. Die Absichten sind nachhaltig und klimafreundlich: Der Treibhausgasausstoss und der Primärenergiebedarf sollen um 90 Prozent gesenkt werden. Diese Ziele können erreicht werden, indem die Abwärme genutzt und Altbauten saniert werden. Im Vollausbau spart die Genossenschaft rund 2700 Kubikmeter Heizöl – das entspricht gut 60 Tanklastwagenlieferungen.
Die Transformation von den fossilen Wärmeversorgungen hin zu erneuerbaren Wärmenetzen bedingt die konsequente Nutzung lokal vorhandener Wärmepotenziale bzw. die Kopplung von Wärme-, Kälte- und Stromversorgung. Dafür braucht es die Bereitschaft, sich zu vernetzen. Zudem müssen wir uns von alten Gewohnheiten, tiefen Energiepreisen, starren Geschäftsmodellen und auch von der vermeintlichen Versorgungssicherheit verabschieden.
Entscheidend für die Transformation innerhalb der nötigen Frist ist zudem die Verfügbarkeit von gut ausgebildeten Fachkräften – sei es in der Projektierung, der Umsetzung oder im Betrieb der Wärmenetze. Die Ausbildung von Fachkräften muss in den kommenden Jahren dringend verstärkt und bestehendes Personal umgeschult werden. Und natürlich führt die Transformation zu weiteren Herausforderungen – allen voran der zunehmende Strombedarf. Sehr wahrscheinlich müssen wir auch in diesem Bereich die Lösungen im lokalen Kontext suchen, um global Wirkung zu erzielen.
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