CO₂-freie Wärmeversorgung in Ballungsräumen

Der entscheidende Unterschied zwischen Strom- und Wärmewende liegt in der räumlichen Konzentration des Energiebedarfs. Städte besitzen eine außerordentlich hohe Wärmebedarfsdichte, gleichzeitig stehen dort nur begrenzte Flächen für regenerative Energiequellen zur Verfügung. Genau daraus entsteht die zentrale Fragestellung: Welche regenerativen Wärmequellen besitzen ausreichend hohe Energiedichten, um Ballungsräume wirtschaftlich und dauerhaft CO₂-frei versorgen zu können?

Wärmebedarfsdichte als zentrale Herausforderung

Die spezifische Wärmebedarfsdichte in urbanen Räumen wird häufig unterschätzt. Während sie in Vororten typischerweise bei 5 bis 20 GWh/km² · a liegt, erreichen mittlere Stadtgebiete bereits 20 bis 80 GWh/km² · a. In dichten Innenstädten werden dagegen Größenordnungenvon 100 bis 300 GWh/km² · a erreicht.

Wärmebedarfsdichte Bild: Generiert mit KI/Prompts Volkmar Frotscher

Diese Werte verdeutlichen das eigentliche Problem der urbanen Wärmewende: Nicht jede regenerative Wärmequelle besitzt eine ausreichend hohe Energiedichte, um solche Bedarfe wirtschaftlich decken zu können.

Aus diesem Grund reicht die reine Betrachtung regenerativer Energieformen nicht aus. Entscheidend ist vielmehr die Kombination aus:

• Energiedichte
• Flächenverfügbarkeit
• Speicherfähigkeit
• Wirtschaftlichkeit
• Infrastrukturbedarf
• und Systemintegration.

Grenzen klassischer regenerativer Wärmequellen

Viele heute diskutierte Wärmequellen besitzen zwar grundsätzlich großes Potenzial, stoßen in Ballungsräumen jedoch an physikalische oder wirtschaftliche Grenzen.

Solarthermie

Große Freiflächen-Solarthermieanlagen erreichen hohe Energiedichten von 200 bis 500 GWh/km² · a und sind mit sehr geringen Betriebskosten zu betreiben. Allerdings entsteht der überwiegende Teil des Jahresertrags im Sommerhalbjahr, während der Heizwärmebedarf im Winter am höchsten ist. Ohne saisonale Speicher führt dies zu einem fundamentalen antizyklischen Problem.

Hinzu kommt, dass in unmittelbarer Nähe großer Ballungsräume Freiflächen häufig nicht zur Verfügung stehen. Die Wärme müsste daher gespeichert oder über größere Entfernungen transportiert werden.

Solarthermie auf Dachflächen besitzt den Vorteil urbaner Nähe, leidet jedoch ebenfalls unter dem antizyklischen Jahresverlauf. Gleichzeitig stehen Eigentumsstrukturen, Dachgeometrien und Einzelgebäudebetrachtungen oft einer systemischen Nutzung entgegen.

Tiefe Geothermie

Tiefe Geothermie gehört grundsätzlich zu den attraktivsten regenerativen Wärmequellen, sofern geeignete geologische Bedingungen vorliegen. Besonders bei Temperaturen oberhalb von 80 bis 120 °C können sehr wirtschaftliche Systeme entstehen.

Allerdings erfordert die Erschließung hohe Anfangsinvestitionen und viel Zeit für die Projektentwicklung. Zudem bestehen Fündigkeitsrisiken sowie erhebliche Genehmigungsanforderungen. Damit bleibt tiefe Geothermie auf Standorte begrenzt, deren Wirtschaftlichkeit den Aufwand rechtfertigt.

Fluss- und Seewärme

Fluss- und Seewärmenutzung besitzt enormes Potenzial für urbane Fernwärmesysteme. Insbesondere große Flüsse ermöglichen sehr hohe Wärmeleistungen bei gleichzeitig geringer Flächeninanspruchnahme.

Flusswärme dürfte zukünftig eine der wichtigsten erneuerbaren Wärmequellen für europäische Ballungsräume werden, insbesondere entlang von Rhein, Elbe, Main, Neckar, Donau oder Spree.

Seewärme bietet zusätzliche Vorteile wie stabilere Temperaturen, hohe Jahresarbeitszahlen und die Möglichkeit freier Kühlung. Herausforderungen ergeben sich jedoch durch Wasserbau, Artenschutzanforderungen und die Investitionskosten. Zudem muss der Aufwand bei Genehmigungen und Netzanschlüssen gerechnet werden.

Abwasserwärme

Besonders interessant ist die Nutzung von Abwasser- und Kläranlagenwärme. Abwasser gelangt mit relativ hohen Temperaturen in den Kanal und ist ganzjährig stabil verfügbar. Zudem fällt es direkt dort an, wo die Wärme gebraucht wird: in den Städten.

Auch große Kläranlagen entwickeln sich zunehmend zu urbanen Energiezentren. Dennoch bestehen erhebliche Hemmnisse durch komplexe Eigentumsstrukturen, fehlende Wärmenetze und unzureichende Stromnetzanschlüsse. Auch hier bedarf es hoher Anfangsinvestitionen.

Der eigentliche Paradigmenwechsel

Die zukünftige Wärmeversorgung von Ballungsräumen wird wahrscheinlich nicht durch eine einzelne Wärmequelle bestimmt werden, sondern durch die intelligente Kombination unterschiedlicher Quellen zu hochintegrierten thermischen Gesamtsystemen. Die entscheidende Entwicklung ist zu beschreiben als Weg von „einer Wärmequelle“ hin zu „thermischen Ökosystemen“.

Dabei werden:

• Geoquellen
• Solarthermie
• Abwasserwärme
• Flusswärme
• Rechenzentren
• Speicher
• Wärmepumpen
• Niedertemperaturnetze
• und intelligente Betriebsführungen

zu einem hochgekoppelten Gesamtsystem verbunden.

Erdenergiespeicher als innovative Universalquelle

Besonders interessant erscheinen dabei hochverdichtete Erdenergiespeicher. Im Gegensatz zu klassischen Flächenkollektoren werden modulare Wärmeabsorber mehrlagig, mit engen Abständen und vollständig in thermisch leitfähigem Flüssigboden eingebettet. Dadurch entsteht kein klassischer Erdkollektor mehr, sondern ein kompakter saisonaler Erdenergiespeicher mit hoher Energiedichte. Diese Systeme können zudem unter bereits vorhandenen urbanen Flächen installiert werden. Dazu gehören etwa Straßen und Parkplätze, Sportplätze und Parkanlagen, Regenrückhaltebecken, Fundamentflächen, Tunnelbauwerke oder ausgediente Tiefgaragen. Flächenkonflikte sind hier weitgehend ausgeschlossen.

Energiedichte als entscheidender Vorteil

Während klassische Erdkollektoren häufig lediglich 40 bis 100 GWh/km² · a erreichen, liegen kombinierte Erdenergiespeicher-Systeme (z. B. Erdsonden und darüber GeoCollect-Absorber) bereits bei etwa 200 bis 650 GWh/km² · a. Damit bewegen sich diese Systeme erstmals in Größenordnungen, die auch für dichte Ballungsräume relevant werden.

Unter einem Sportplatz in Berlin Charlottenburg wurde kürzlich eine 7.000 m² GeoCollect-Anlage errichtet, die in Kombination mit Wärmepumpen mehrere Bildungseinrichtungen mit CO₂-freier Wärme versorgt. Bild: Volkmar Frotscher

Hybride Zusatzquellen als Schlüsseltechnologie

Der eigentliche Innovationssprung entsteht jedoch erst durch die Kombination mit hybriden Zusatzquellen. Hierzu zählen insbesondere PV-T-Systeme, Rückkühler und Energiezäune. Diese Systeme dienen der aktiven Regeneration des Erdenergiespeichers, der Anhebung der Soletemperaturen und der Verbesserung der Jahresarbeitszahlen.

PV-T + Erdenergiespeicher

PV-T-Systeme kombinieren Stromerzeugung und thermische Nutzung. Sie liefern also gleichzeitig Strom für Wärmepumpen und Niedertemperaturwärme zur Speicherregeneration. Die Kombination aus PV-T und Erdenergiespeicher erreicht Energiedichten von etwa 280 bis 520 GWh/km² · a. Besonders attraktiv sind sie auf Grund der hohen Eigenstromnutzung und Systemeffizienz, sowie ihren geringen Betriebskosten.

Rückkühler + Erdenergiespeicher

Besonders wirtschaftlich erscheint die Kombination aus Erdenergiespeicher und Rückkühlern. Rückkühler können bei geeigneten Außentemperaturen Umweltwärme aufnehmen und den Erdenergiespeicher regenerieren. Dadurch entstehen stabile Soletemperaturen, hohe Wärmepumpenwirkungsgrade und vergleichsweise geringe Investitionen. Die Wärmegestehungskosten liegen typischerweise bei: 7 bis 12,5 ct/kWh über 25 Jahre. Damit gehört dieses Konzept vermutlich zu den wirtschaftlich attraktivsten urbanen Wärmesystemen überhaupt.

Energiezäune + Erdenergiespeicher

Energiezäune nutzen Solarstrahlung, Wind, Regen und Umgebungsluft. Besonders interessant ist die Doppelnutzung als technische Infrastruktur und Energiequelle zugleich. Sie eignen sich insbesondere für den Einsatz entlang von Grundstücksgrenzen, Verkehrswegen, Industrieflächen oder Lärmschutzanlagen.

Solarthermie + Erdenergiespeicher

Ein besonders vielversprechender Ansatz ist die Kombination aus Dachflächen-Solarthermie mit direkter sommerlicher Wärmenutzung und Erdenergiespeichern.

Das Prinzip: Im Sommer liefert die Solarthermie direkte Wärme für Warmwasser und Heizungsunterstützung. Überschüssige Solarwärme unterhalb von etwa 35 °C wird nicht verworfen, sondern regeneriert den Erdenergiespeicher. Im Winter dient der regenerierte Speicher als hochtemperierte Solequelle für Wärmepumpen. Damit wird auch Niedertemperaturwärme vollständig nutzbar. Das Ergebnis sind sehr hohe Jahresarbeitszahlen, hohe Energiedichten sowie geringe Betriebskosten. Zudem können ganzjährig solare Erträge realisiert werden. Die Kombination erreicht Energiedichten von 250 bis 600 GWh/km² · a, in optimierten urbanen Systemen sogar bis etwa 700 GWh/km² · a.

Wirtschaftlichkeit für Stadtwerke und Contractoren

Gerade für Stadtwerke, Contractoren und Wärmeversorger werden diese Systeme zunehmend interessant. Der wesentliche Vorteil regenerativer Wärmesysteme liegt darin, dass nach Errichtung der Infrastruktur nur geringe variable Betriebskosten entstehen. Die Brennstoffpreisrisiken sinken und Wärmepreise bleiben langfristig stabil.

Die eigentlichen Herausforderungen liegen daher weniger in den Betriebskosten als vielmehr in den hohen Anfangsinvestitionen, den Abschreibungszeiträumen und der Finanzierung. Besonders wichtig: Erst lange Abschreibungszeiträume von 25 Jahren und mehr ermöglichen attraktive Wärmegestehungskosten. Bei Erdenergiespeicher-Systemen mit hybrider Regeneration liegen die Wärmegestehungskosten typischerweise bei etwa 7 bis 13 ct/kWh über 25 Jahre, bei sehr günstigen Randbedingungen sogar darunter.

Mit staatlicher Förderung über die Programme BEW oder BEG werden nochmals deutlich niedrigere Kosten möglich. Gerade für Stadtwerke entstehen dadurch langfristig kalkulierbare Wärmepreise hohe Versorgungssicherheit, geringe Brennstoffabhängigkeit und stabile Geschäftsmodelle. Contractoren profitieren zusätzlich von langfristigen Wärmelieferverträgen, planbaren Cashflows und der Möglichkeit sektorübergreifender Geschäftsmodelle.

Bezahlbare Energiepreise als gesellschaftlicher Schlüsselfaktor

Die Wärmewende wird nur dann gesellschaftlich akzeptiert werden, wenn Energiepreise langfristig bezahlbar bleiben. Genau hier besitzen regenerative Wärmesysteme mit hoher Energiedichte auf Grund ihrer geringen Brennstoff- und stabilen Betriebskosten sowie ihren geringeren geopolitischen Abhängigkeiten enorme Vorteile. Sie erfordern allerdings hohe Anfangsinvestitionen, langfristige Finanzierungen, staatliche Förderung sowie geeignete regulatorische Rahmenbedingungen.

Besonders wichtig werden:

• Niedertemperaturnetze
• Low-Ex-Systeme
• kalte Nahwärmenetze
• Gebäudemodernisierung
• sowie die Absenkung von Vorlauftemperaturen.

Je niedriger die Netztemperaturen, desto effizienter und wirtschaftlicher arbeiten Wärmepumpensysteme.

Handlungsempfehlungen

Für die zukünftige Wärmeversorgung von Ballungsräumen lassen sich mehrere zentrale Handlungsempfehlungen ableiten:

• Fokus auf Energiedichte statt nur auf Energieform: Entscheidend ist nicht allein die regenerative Quelle, sondern ihre urbane Skalierbarkeit.
• Ausbau hybrider thermischer Systeme: Kombinationen aus Erdenergiespeicher, Wärmepumpen, PV-T, Solarthermie und Speichertechnologien besitzen enormes Potenzial.
• Ausbau von Niedertemperatur- und kalten Wärmenetzen: Sie ermöglichen hohe Wärmepumpeneffizienz und geringe Betriebskosten.
• Langfristige Finanzierung und Förderung: Erst lange Abschreibungszeiträume ermöglichen bezahlbare Wärmepreise.
• Nutzung vorhandener urbaner Flächen: Straßen, Parkplätze, Sportplätze, Parkanlagen und Regenwasserrückhaltebecken aber auch natürliche und künstliche Hohlräume (z. B. ehemalige Tiefgaragen oder Bergbauhinterlassenschaften) werden zukünftig wichtige Energieinfrastrukturen.
• Integration unterschiedlicher Akteure: Stadtwerke, Wohnungswirtschaft, Kommunen, Contractoren und Infrastrukturbetreiber müssen stärker kooperieren.

Fazit

Die CO₂-freie Wärmeversorgung von Ballungsräumen ist vor allem eine Frage der Energiedichte, der Speicherfähigkeit und der Systemintegration. Viele klassische regenerative Wärmequellen stoßen in urbanen Räumen an physikalische, wirtschaftliche oder infrastrukturelle Grenzen.

Hybride Quellenkombinationen aus Erdenergiespeichern mit PV-T, Rückkühlern, Energiezäunen, Solarthermie und Wärmepumpen gehören dagegen zu den vielversprechendsten urbanen Wärmequellen der Zukunft. Sie verbinden hohe Energiedichten, saisonale Speicherfähigkeit, urbane Flächenintegration, hohe Effizienz und langfristig stabile Wärmegestehungskosten. Damit könnten sie zu einem entscheidenden Baustein der CO₂-freien Wärmeversorgung europäischer Ballungsräume werden.