Station 2: Warum die Stadt ihre Wärme wegwirft

Kurz erklärt

Rechenzentren, Kühlhäuser, Gewerbebetriebe und Industrieanlagen erzeugen ständig Wärme als Nebenprodukt. Ein großer Teil davon wird über Rückkühler und Lüftungsanlagen an die Umgebung abgegeben. Gleichzeitig werden an anderen Orten fossile Brennstoffe eingesetzt, um Wohnungen und Gebäude zu beheizen.

Warum wird diese vorhandene Wärme nicht einfach genutzt? Die Antwort liegt vor allem in ihrer Temperatur. Viele Abwärmequellen sind zu kühl, um direkt in bestehende Fernwärmenetze eingespeist zu werden. Diese Station zeigt, wie Abwärme, Wärmepumpen, Gebäude und Wärmenetze zusammenspielen müssen, damit aus bislang verlorener Energie eine klimafreundliche Wärmequelle werden kann.

1. Was siehst Du hier?

Vor Dir steht ein unscheinbarer grauer Kasten mit mehreren Ventilatoren: ein Rückkühler. Solche Anlagen sind an vielen Gewerbegebäuden, Kühlanlagen, Rechenzentren und technischen Einrichtungen zu finden. Sie sorgen dafür, dass überschüssige Wärme aus einem Prozess an die Außenluft abgegeben wird.

Für den Betrieb der jeweiligen Anlage ist das notwendig. Kühlanlagen, Maschinen oder technische Geräte müssen vor Überhitzung geschützt werden. Aus Sicht des gesamten Energiesystems zeigt sich hier jedoch ein Widerspruch: Wärme wird in die Luft geblasen, während nur wenige hundert Meter entfernt im Fernheizwerk Neukölln Erdgas eingesetzt wird, um neue Wärme zu erzeugen.

Unter den Straßen der Umgebung verläuft ein Fernwärmenetz, das rund 60.000 Wohnungen sowie Gewerbebetriebe und öffentliche Einrichtungen versorgt. Durch seine Leitungen fließt heißes Wasser. Im Sommer liegt die Temperatur bei ungefähr 70 Grad Celsius, im Winter kann sie auf bis zu 110 Grad steigen.

Die Wärme aus einem Rückkühler oder einer Klimaanlage besitzt dagegen häufig nur eine Temperatur von etwa 25 bis 40 Grad. Sie ist also grundsätzlich vorhanden, passt aber nicht ohne Weiteres zum heißen Wasser des bestehenden Fernwärmenetzes.

Der Rückkühler an dieser Station steht deshalb stellvertretend für viele Wärmequellen in der Stadt. Entscheidend ist weniger, aus welchem einzelnen Gebäude seine Wärme stammt. Interessant ist die größere Frage: Wie können die zahlreichen kleinen und großen Abwärmequellen Berlins erfasst und für die Wärmeversorgung nutzbar gemacht werden?

Vertiefung: Was macht ein Rückkühler?

Ein Rückkühler führt überschüssige Wärme aus einem technischen Prozess an die Umgebung ab. Ventilatoren bewegen Luft an warmen Leitungen oder Wärmetauschern vorbei. Die Wärme wird dabei von der Luft aufgenommen und nach außen transportiert.

Ein Kühlschrank funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip: Er entzieht seinem Innenraum Wärme und gibt sie über die warme Rückseite an die Küche ab. Bei größeren Kühlanlagen übernimmt ein Rückkühler diese Aufgabe.

Aus Sicht des einzelnen Betriebs ist die Wärme ein Nebenprodukt, das entfernt werden muss. Aus Sicht der Energiewende könnte sie jedoch eine Ressource sein.

2. Welche Rolle spielt Abwärme im Energiesystem?

Bei vielen technischen Prozessen entsteht Wärme, obwohl Wärme nicht das eigentliche Produkt ist. Ein Rechenzentrum verarbeitet Daten und erzeugt dabei Abwärme. Ein Kühlhaus hält Lebensmittel kalt und gibt gleichzeitig Wärme nach außen ab. Auch Industrieanlagen, Supermärkte, Abwasserkanäle und künftig möglicherweise Elektrolyseanlagen zur Wasserstoffproduktion können ungenutzte Wärme bereitstellen.

Bisher werden Stromversorgung, Wärme, Verkehr und Industrie häufig getrennt geplant. In einem klimaneutralen Energiesystem müssen diese Bereiche jedoch stärker miteinander verbunden werden. Diese Verknüpfung wird als Sektorenkopplung bezeichnet.

Ein Wärmenetz kann dabei eine zentrale Rolle spielen. Es könnte Wärme aus unterschiedlichen Quellen sammeln und zu den Gebäuden transportieren, in denen sie gebraucht wird. Neben klassischen Heizwerken könnten künftig Großwärmepumpen, Rechenzentren, Flusswasser, Abwasser, Industrieanlagen oder Elektrolyseure in das Netz einspeisen.

Das Wärmenetz würde dann nicht mehr nur Wärme von einem großen Heizwerk zu vielen Gebäuden transportieren. Es könnte zu einem Sammel- und Verteilnetz für zahlreiche dezentrale Wärmequellen werden.

Aus einem Abfallprodukt wird auf diese Weise eine Energiequelle. Statt zusätzlich Erdgas zu verbrennen, wird zunächst genutzt, was ohnehin vorhanden ist. Das spart Brennstoffe und kann die Emissionen der Wärmeversorgung reduzieren.

Wärme lässt sich allerdings nicht beliebig zwischen verschiedenen Anwendungen austauschen. Neben der verfügbaren Energiemenge sind insbesondere Temperatur, Zeitpunkt und Entfernung entscheidend. Eine Abwärmequelle ist vor allem dann wertvoll, wenn sie regelmäßig verfügbar ist, in der Nähe eines Wärmenetzes liegt und eine ausreichend hohe Temperatur besitzt.

3. Wo liegen die Herausforderungen?

Das zentrale Problem ist die Temperatur. Viele Abwärmequellen liefern Wärme mit 25 bis 40 Grad Celsius. Ein bestehendes Fernwärmenetz benötigt dagegen häufig Temperaturen von 70 bis über 100 Grad.

Niedertemperatur-Abwärme kann daher meist nicht direkt in ein solches Netz eingespeist werden. Ihre Temperatur muss zunächst angehoben werden. Dafür kommt eine Wärmepumpe zum Einsatz.

Eine Wärmepumpe entzieht einer Quelle Wärme und bringt sie mithilfe von Strom auf ein höheres Temperaturniveau. Je größer der Unterschied zwischen der Temperatur der Abwärme und der benötigten Netztemperatur ist, desto mehr Strom wird für diesen Vorgang benötigt. Eine Wärmequelle mit 40 Grad lässt sich deshalb leichter nutzen als eine Quelle mit 20 Grad.

Auch die Entfernung ist wichtig. Wärme kann zwar durch Leitungen transportiert werden, dabei entstehen jedoch Verluste und Kosten. Eine Abwärmequelle weit entfernt vom Wärmenetz ist häufig schwieriger zu erschließen als eine Quelle direkt neben einer bestehenden Leitung.

Hinzu kommen hohe Anfangsinvestitionen. Es werden Wärmetauscher, neue Rohrleitungen, Mess- und Regeltechnik sowie gegebenenfalls Großwärmepumpen benötigt. Wärmequelle und Netzbetreiber müssen sich außerdem darüber einigen, wer die Anlagen finanziert, wer das wirtschaftliche Risiko trägt und zu welchem Preis die Wärme geliefert wird.

Ein weiteres Hindernis ist der Zustand der Gebäude. Ältere, schlecht gedämmte Häuser benötigen an kalten Tagen besonders viel Wärme und häufig hohe Heiztemperaturen. Solange die angeschlossenen Gebäude sehr heißes Wasser brauchen, muss auch das Wärmenetz auf einem hohen Temperaturniveau betrieben werden.

Damit wird eine vermeintlich einfache technische Frage zu einer systemischen Herausforderung: Die Nutzung von Abwärme hängt nicht nur vom Rückkühler oder der Wärmepumpe ab. Sie hängt auch vom Wärmenetz, vom Strompreis, von der Finanzierung und vom energetischen Zustand Tausender Gebäude ab.

Vertiefung: Wärme ist nicht gleich Wärme

Eine Kilowattstunde beschreibt eine Energiemenge. Sie sagt jedoch noch nichts darüber aus, bei welcher Temperatur diese Energie zur Verfügung steht.

Wasser mit 30 Grad enthält nutzbare Wärme. Für eine Fußbodenheizung oder bestimmte industrielle Prozesse kann dieses Temperaturniveau ausreichen. Ein unsaniertes Gebäude mit kleinen Heizkörpern wird damit an einem kalten Wintertag jedoch kaum warm.

Für die Nutzbarkeit einer Wärmequelle zählt deshalb nicht nur, wie viel Wärme vorhanden ist, sondern auch, wie heiß sie ist. In der Fachsprache wird dies als die Qualität der Wärme bezeichnet.

4. Welche Lösungen sind möglich?

Ein wichtiger Ansatz besteht darin, Wärmenetze schrittweise mit niedrigeren Temperaturen zu betreiben. Je kühler das Netz ist, desto leichter können Abwärme, Umweltwärme und andere erneuerbare Quellen eingespeist werden. Gleichzeitig sinken die Wärmeverluste in den Leitungen.

Damit Gebäude auch mit niedrigeren Netztemperaturen ausreichend warm werden, müssen sie weniger Energie benötigen. Gebäudedämmung, moderne Heizkörper, Flächenheizungen und gut eingestellte Heizsysteme sind deshalb nicht nur Maßnahmen am einzelnen Haus. Sie erleichtern die Transformation des gesamten Wärmenetzes.

Großwärmepumpen bilden einen weiteren wichtigen Baustein. Sie können Wärme aus Rückkühlern, Rechenzentren, Flüssen, Abwasser oder industriellen Prozessen auf das benötigte Temperaturniveau anheben. Werden sie mit erneuerbarem Strom betrieben, können sie fossile Wärmeerzeugung schrittweise ersetzen.

Zusätzlich braucht es eine systematische Wärmeplanung. Städte müssen wissen, wo Wärme entsteht, wann sie verfügbar ist und wo große Mengen Wärme gebraucht werden. Ein sogenanntes Abwärmekataster kann potenzielle Quellen erfassen und mit bestehenden Netzen und Verbrauchsschwerpunkten verbinden.

Auch Wärmespeicher sind wichtig. Abwärme entsteht möglicherweise zu einem anderen Zeitpunkt, als sie benötigt wird. Ein Speicher kann Wärme aufnehmen und Stunden, Tage oder teilweise sogar Monate später wieder abgeben.

Nicht jede Abwärmequelle wird sinnvoll nutzbar sein. Manche Quellen sind zu klein, zu weit entfernt oder nur unregelmäßig verfügbar. Die zukünftige Wärmeversorgung wird deshalb aus einem Mix bestehen: Abwärme, Großwärmepumpen, Geothermie, Solarthermie, Umweltwärme, Speicher und weitere erneuerbare Quellen müssen miteinander kombiniert werden.

Die entscheidende Erkenntnis lautet: Nichthandeln ist keine kostenfreie Lösung. Werden Wärmenetze nicht rechtzeitig umgebaut, bleiben sie abhängig von fossilen Brennstoffen, steigenden Emissionskosten und einer Infrastruktur, die nicht zu einer klimaneutralen Wärmeversorgung passt.

5. Forschung im Reiner Lemoine Kolleg

Abwärme aus Elektrolyseanlagen für klimaneutrale Wärmenetze

Forschende:r — Simon Dübell

Simon untersucht in seiner Promotion, wie Abwärme aus Elektrolyseanlagen für Wärmenetze nutzbar gemacht werden kann.

Elektrolyseure stellen mithilfe von Strom Wasserstoff her. Dabei entsteht Wärme als Nebenprodukt. Mit dem geplanten Ausbau der Wasserstoffproduktion könnte damit eine neue und umfangreiche Abwärmequelle entstehen.

Diese Wärme ist besonders interessant, weil sie teilweise bei höheren Temperaturen anfällt als die Abwärme vieler Rechenzentren oder Kühlanlagen. Unter geeigneten Bedingungen könnte sie deshalb mit einem geringeren Einsatz von Wärmepumpen oder teilweise direkt in ein Wärmenetz eingespeist werden.

Die Forschung untersucht, wie sich unterschiedliche Betriebsweisen der Elektrolyse auf Menge und Temperatur der Abwärme auswirken. Mit zeitlich aufgelösten Optimierungsmodellen wird analysiert, wann Wasserstoff produziert wird, wie viel Wärme dabei entsteht und ob das Wärmenetz sie zum jeweiligen Zeitpunkt aufnehmen kann.

Dabei stehen sowohl die technische Nutzbarkeit als auch die Wirtschaftlichkeit im Mittelpunkt. Die Nutzung der Abwärme könnte die Wärmeversorgung günstiger machen und gleichzeitig die Produktionskosten des Wasserstoffs senken. Ob dieses Potenzial tatsächlich ausgeschöpft werden kann, hängt jedoch von Standort, Netztemperatur, Betriebsweise und den wirtschaftlichen Rahmenbedingungen ab.

Ziel der Forschung ist es, Wasserstoffproduktion und Wärmeversorgung nicht getrennt voneinander zu planen. Elektrolyseanlagen könnten künftig nicht nur Wasserstoff liefern, sondern gleichzeitig als Wärmequelle für Gebäude, Quartiere oder Industrie dienen.

Mehr zur Forschung von Simon Dübell

6. Denkfrage

Denkfrage

Was schätzt Du: Warum kann die Wärme aus einem Rückkühler meistens nicht direkt in das bestehende Fernwärmenetz eingespeist werden?

A) Die Wärmemenge ist grundsätzlich zu klein.
B) Die Temperatur ist für das heiße Wärmenetz meist zu niedrig.
C) Abwärme darf rechtlich grundsätzlich nicht genutzt werden.

Antwort anzeigen

Richtig ist Antwort B: Die Temperatur ist meist zu niedrig.

Viele Rückkühler, Rechenzentren oder Kühlanlagen geben Wärme mit etwa 25 bis 40 Grad ab. Das Fernwärmenetz in dieser Umgebung arbeitet dagegen je nach Jahreszeit mit ungefähr 70 bis 110 Grad.

Eine Großwärmepumpe kann diese Temperaturlücke überbrücken. Je niedriger die benötigte Netztemperatur und je besser die Gebäude gedämmt sind, desto effizienter und kostengünstiger lässt sich die Abwärme nutzen.

Weiter zur nächsten Station

Neue Wärmequellen, Wärmepumpen und der Umbau von Gebäuden verändern nicht nur technische Infrastrukturen. Die Energiewende findet zunehmend im unmittelbaren Lebensumfeld der Menschen statt und berührt Fragen von Akzeptanz, Mitsprache und gerechter Beteiligung.

An Station 3 geht es deshalb um die Frage: Wer darf mitentscheiden, wenn die Energiewende vor der eigenen Haustür stattfindet?

Quellen und weiterführende Informationen

Fernheizwerk Neukölln: Angaben zum Wärmenetz, zu Netztemperaturen und zur Wärmeversorgung (https://fhw-neukoelln.de/transformationsprozess/)
Informationen zum Thiemann-Quartier und zum Standort (https://thiemann-quartier.com/de/index.html)
Kompetenzzentrum Kommunale Wärmewende (https://www.kww-halle.de/)
Wärmewendeagentur Berlin (https://waermewendeagentur.de/)
Berliner Wärmeplan (https://www.berlin.de/sen/uvk/klimaschutz/waermewende/waermeplan/)