Schwerpunkt Wärmewende
Intelligente Nutzung im Strom- und Wärmebereich

Wie schaffen wir die Wärmewende?

Bis 2030 sollen bei der Wärmeversorgung von Gebäuden bis zu 40 Prozent CO2-Emissionen eingespart werden. Bislang gibt es kaum signifikante Erfolge. Um das Ziel zu erreichen, müssen der Energieverbrauch reduziert und emissionsarme Heizungen eingesetzt werden. Die Wärmewende erforscht ENavi im Schwerpunktthema 2: Wärmewende.

Private Verbraucher könnten deutlich weniger Energie beim Heizen verbrauchen. Doch wer stellt in der morgendlichen Aufbruchshektik noch schnell die Heizung aus? Eine digitale Heizungssteuerung („Smart Heat“) macht es einfacher, die Heizung je nach Bedarf an- und auszustellen. Wärmepumpen sind ein Beispiel für ressourcenschonende Erzeugungsanlagen. Sie setzt Wärme aus der Luft oder dem Boden als Nutzwärme für die Heizung ein. Fern- und Nahwärmesysteme, die bereits bestehen, unterstützen das systemische Zusammenspiel. Diese Wechselwirkung von Technik, Digitalisierung, Verhalten und Regulation lässt sich im transdisziplinären Forschungsansatz von ENavi gut demonstrieren und in evidenzbasierte Politikempfehlungen übersetzen.

Solarkollektoren, Wärmepumpen oder andere Anlagen auf Basis erneuerbarer Energien wie Biogas oder Pellet-Heizungen könnten Ölheizungen ersetzen. Bisher wird aber nur 13 Prozent der Wärme durch erneuerbare Energiequellen erzeugt. Davon entfallen fast fünf Prozent auf die Umwandlung der Sonnenenergie in Wärmeenergie, die sogenannte Solarthermie, die zum Beispiel für die Warmwasserbereitung genutzt werden kann. Annähernd acht Prozent der Wärmeenergie entstehen durch in der Erde gespeicherte Energie, die Geothermie, die bei Wärmepumpen genutzt wird. 

Die Hälfte der im Jahr 2016 genehmigten Neubauten nutzen Wärmeerzeugungsanlagen mit fossilen Energieträgern. Nur rund 37 Prozent der Neubauten werden mit ressourcenschonenden Wärmepumpen ausgestattet (Quelle: Statistisches Bundesamt). Das größte Einsparpotenzial für Wärme liegt in der Modernisierung der Heizungen im Gebäudebestand.

Power-to-Heat

Die Umwandlung von Strom in Wärme spielt aufgrund des großen Anteils an stromerzeugenden erneuerbaren Energietechnologien wie Wind und Photovoltaik, sowie deren weiteren Ausbaus, eine besondere Rolle. Wenn Strom die fossilen Brennstoffe ersetzt, ist das vor allem dann klimafreundlich, wenn der Strom aus erneuerbaren Energien gewonnen wird.

Ein mögliches Konzept stellt eine strombasierte Wärmeversorgung durch Wärmepumpen, Infrarotstrahler und Heizstrahler dar. Dabei wird Strom aus erneuerbaren Energien verwendet – beispielsweise von der Photovoltaik-Anlage auf dem Dach oder aus einer Windkraftanlage. Dieses System ist auf die direkte Nutzung von Strom im Wärmebereich ausgelegt. Hocheffiziente Wärmepumpen machen die Umweltwärme für Raumwärme nutzbar. Das System kann mit thermischen Speichern ergänzt werden, die einen flexiblen Betrieb der Wärmepumpen ermöglichen. Die CO2-ärmere Wärmeerzeugung hängt jedoch stark von dem verwendeten Strommix bzw. von den lokal installierten Technologien zur Stromerzeugung ab: Werden zum Beispiel Photovoltaik-Anlagen eingesetzt, die auf dem eigenen Dach im Eigenstrommodus mit den Wärmepumpen verknüpft werden können?

Die Kraftwärmekopplung (KWK)-Konzepte bzw. Mikro-KWK-Konzepte basieren auf der gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme, die vorzugsweise mit Erdgas (eventuell auch anteilig mit Wasserstoff) betrieben werden. Hierbei ist zu beachten, dass häufig ein Wärmenetz für mehrere Liegenschaften oder größere Stadtteile notwendig ist. Außerdem findet eine gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme statt, die häufig in einem festen Verhältnis zueinander stehen.

Im Schwerpunktthema Wärmewende untersucht das ENavi-Arbeitspaket 8 / Systeme zusammenführen, wie sich unter technologisch-ökonomischen Kriterien eine optimalen Versorgungsstrategie des zukünftigen Gebäudebestandes in Deutschland entwerfen lässt. Die Wissenschaftler untersuchen, wie Versorgungskonzepte auf strombasierte Wärmeversorgung bzw. auf Kraftwärmekopplung ausgestaltet werden können. Gleichzeitig betrachten sie, nach welchen Marktfaktoren sich einzelne Akteure bei der Investition in Eigenstromanlagen und Wärmepumpen entscheiden. Im Ergebnis wird sich zeigen, wie Handlungsempfehlungen für die energiepolitischen Maßnahmen im Wärmemarkt für Gebäude konkret aussehen können.

Quelle: Lotte Ostermann

„Wärmeeinsparung muss sich gut anfühlen, damit die Verbraucher zu Hause mitmachen. Mit digitaler Heizungssteuerung ist die Wohnung immer warm, wenn Sie zu Hause sind. Heizkosten sparen Sie, wenn Sie unterwegs sind.“

Prof. Ortwin Renn, Institut für transformative Nachhaltigkeitsforschung e.V. (IASS)

Zentrale Fragen

  • Sollte Eigenerzeugung gefördert werden?
  • Sind Wärmepumpe eine effektivere Alternative – oder eine kostengünstige Ergänzung?
  • Wie wird in Deutschland in zukünftigen Siedlungen Raumwärme und Warmwasser bereitgestellt?
  • Welche Möglichkeiten bietet die Sektorkopplung, also die Kopplung von Strom und Wärme?
  • Welche Potenziale ergeben sich aus Wärmedämmung, Energieeffizienz und Wärmespeicherung?
  • Wie kann das Zusammenspiel aus dezentraler Wärmebereitstellung und leitungsgebundenen Wärmesystemen gestaltet werden?
  • Welche Rahmensetzungen sind denkbar bei Neubau und bestehenden Gebäuden?

Auch bei Investitionen in Photovoltaik, Speicher, Eigenstrom und Wärmepumpen entscheiden sich einzelne Akteure nach unterschiedlichen Marktfaktoren.
Wie sehen diese bei der Sektorkopplung im Wärmebereich aus?
Welche Präferenzen haben die Nutzer?

Die Forschenden analysieren insbesondere das Verhalten der Endkunden aus Industrie, Gewerbe und privaten Haushalten unter den aktuellen Rahmenbedingungen.

Prof. Ortwin Renn

Institut für transformative Nachhaltigkeitsforschung (IASS), +49 331 28822 463, ortwin.renn@iass-potsdam.de

  • Projektsprecher von ENavi  und Themenkoordinator Intelligente Nutzung im Strom- und Wärmebereich
  • Leiter ENavi-Arbeitspaket 11: Multikriterielle Bewertung

Dr. Christoph Kost

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, +49 761 4588  5750

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