Fernwärme Technik

Technischer Ablauf Fernwärme

Die Idee, Fernwärme in größerem Umfang und kommerziell zu nutzen, entstand gegen Ende des 19. Jahrhunderts. Durch die Verringerung der Anzahl der Feuerstätten in den Innenstädten wurde die Gefahr von Bränden gemindert und der Verschmutzung durch Kohle und Asche Einhalt geboten. Wesentlicher Gesichtspunkt ist die Möglichkeit, den Wirkungsgrad von thermischen Kraftwerken zu erhöhen, indem man mittels sogenannter Kraft-Wärme-Kopplung Wärmeleistung zwischen den Turbinenstufen auskoppelt. Wasser ist mit seiner großen spezifischen Wärmekapazität besonders geeignet als Medium für den Wärmetransport. Im Bereich der Fernwärme wird es flüssig oder in Form von Dampf verwendet. In jüngerer Zeit werden jedoch Dampfnetze vermehrt durch Heißwassernetze ersetzt, da deren Betrieb unter anderem risikoärmer ist. Das Medium wird in wärmegedämmten Rohrleitungen in einem kontinuierlichen Kreislauf gefördert. Zur Vermeidung von Korrosionen und Härteausscheidungen auf den inneren Oberflächen der Rohre ist das verwendete Wasser im Kreislauf zumindest enthärtet. Da entsalzte Wässer deutlich geringere Korrosionsraten als nur enthärtete Wässer haben, wird ein möglichst niedriger Restsalzgehalt im Umlaufwasser moderner Fernwärmenetze angestrebt. Dies wird durch Verwendung von Deionat als Zusatzwasser und einer zusätzlichen Teilstrom-Entsalzung der Umlaufwassermenge im System erreicht.

Die Rohrleitungen von der Wärmequelle zu den Wärmesenken werden als Vorlauf, diejenigen von den Wärmesenken zurück zur Wärmequelle werden als Rücklauf bezeichnet. Je nach Mediumtemperatur, erforderlichem Durchfluss und statischen Erfordernissen kommen als Rohrleitungssysteme Kunststoffmantelverbundrohre, Stahlmantelrohre, Wickelfalzrohre und verschiedene flexible Rohrsysteme (Verbundrohrsysteme, Rohrsysteme ohne Verbund) zum Einsatz. Übliche Betriebstemperaturen für den Vorlauf in einem Fernwärmenetz sind 80-130 °C bei einem Betriebsdruck von 1,6-2,5 MPa (16-25 Bar).^[1]. In kleineren Fernwärmenetzen mit niedrigeren Vorlauftemperaturen von 80-90 °C wird auch mit geringeren Betriebsdrücken von 0,4-1,0 MPa (4-10 Bar) gearbeitet. Beim Verbraucher erfolgt die Wärmeübergabe mit Hilfe einer Übergabestation, der so genannten Kompaktstation, die aus verschiedenen Komponenten bestehen kann. In den meisten Fällen ist der Fernwärmekreislauf durch einen Wärmeübertrager hydraulisch vom Verbraucherkreislauf getrennt, in wenigen Fällen (Großverbraucher) wird der Fernwärmekreislauf direkt angekoppelt. Insbesondere bei Wohngebäuden orientiert sich die Auslegung der Übergabestation nicht primär am Heizwärmebedarf, sondern am Wärmebedarf für die Warmwasserbereitung. Bei der Warmwasserbereitung muss zur Vermeidung einer Kontamination der Warmwasseranlage mit Legionellen eine Warmwassertemperatur von mehr als 60 °C aufrecht erhalten werden. Für die Warmwasserbereitung stehen je nach Bedarf drei Varianten zur Verfügung:

• Beim Durchflusssystem wird das benötigte Warmwasser direkt im Wärmeübertrager der Übergabestation erwärmt. Dies erfordert einen entsprechend großen Wärmeübertrager mit entsprechend groß dimensioniertem Fernwärmeanschluss. Dafür ist das Risiko einer Kontaminierung mit Legionellen sehr gering und der Rücklauf des Fernwärmewassers wird auf ein niedriges Temperaturniveau abgesenkt. Das Durchflusssystem eignet sich für Abnehmer mit relativ gleichmäßigem Warmwasserbedarf und für Abnehmer mit ohnehin sehr geringer Fernwärmeanschlussleistung, da die Übergabestation im technisch sinnvollen Rahmen nicht beliebig klein ausgelegt werden kann.
• Beim Speichersystem wird Wasser in einem Speicher erwärmt („der Speicher wird geladen“) und bei Bedarf aus diesem entnommen. Der Fernwärmeanschluss kann wesentlich kleiner ausgelegt werden. Dafür steigt das Risiko einer Kontaminierung mit Legionellen, was spezielle Schutzmaßnahmen (regelmäßige thermische Desinfektion) erfordert. Da Temperaturniveau des Rücklaufs des Fernwärmewassers kann ungünstigstenfalls bis fast auf die Temperatur im Warmwasserspeicher ansteigen, was einen ungünstigen Betriebszustand darstellt. Außerdem ist die verfügbare Warmwassermenge durch das Volumen des Speichers begrenzt. Nach Entnahme der verfügbaren Menge muss gewartet werden, bis der Speicher wieder geladen wurde. Nachteilig sind auch der zusätzliche Platzbedarf des Speichers und die Wärmeverluste des Speichers. Speichersysteme eignen sich für Abnehmer mit stark schwankendem Warmwasserbedarf wie etwa einzelne Wohnhäuser.
• Das Speicher-Lade-System kombiniert das Durchflusssystem mit dem Speichersystem. Das enthaltene Durchflusssystem wird nur auf einen durchschnittlichen Warmwasserbedarf ausgelegt, der Fernwärmeanschluss kann somit kleiner als beim reinen Durchflusssystem ausgelegt werden. Spitzenlasten werden über einen Warmwasserspeicher abgedeckt, der in Schwachlastzeiten geladen wird.^[2]

Die Erzeugung von Fernwärme erfolgt in der Regel in großen KWK-Kraftwerken, kleineren Blockheizkraftwerken, in Müllverbrennungsanlagen oder Fernheizwerken. Als Brennstoff werden die verschiedenen Formen der Kohle, Erdgas, Biogas, Öl, Holz und Holzprodukte sowie Müll in verschiedenen Zusammensetzungen und Aufbereitungsformen verwendet. In wenigen Ländern, z. B. in der Schweiz, wird Fernwärme auch aus Kernkraftwerken ausgekoppelt. In Island, aber auch in Mitteleuropa, wird Fernwärme in Geothermiekraftwerken erzeugt. Soweit möglich wird auch die Abwärme von Industriebetrieben, zum Beispiel von Raffinerien oder Stahlwerken, als Wärmequelle genutzt.

Wegen des auch bei sehr guter Wärmedämmung nicht zu vermeidenden Wärmeverlustes über längere Strecken und des hohen Investitionsaufwandes für das Leitungssystem eignet sich Fernwärme angeblich nur bei dichter Bebauung. In Deutschland wurde bei normaler Vorortbebauung das Wort “fernwärmeversorgungsunwürdig” benutzt. In Skandinavien betreibt man Fernwärme auch in den Villenvorstädten.

Die größten deutschen Fernwärmenetze sind in Berlin, Hamburg und Mannheim zu finden. Flensburg gehört zu den Städten mit dem höchsten Marktanteil bei Fernwärme (>90%). Vorbild für Flensburg waren die dänischen Ostseestädte, die die gleiche Fernwärmedichte haben.

Besonderheiten beim Rohrbau

Der Ausdehnungskoeffizient der als Fernwärmeleitungen verlegten Stahlrohre führt bei den großen zu überbrückenden Entfernungen und Temperaturschwankungen zu nicht zu vernachlässigenden Längenänderungen der Rohrleitungen. Bereits bei der Trassenplanung sind daher Maßnahmen wie die charakteristischen U-förmigen Kompensationsschenkel (auch U-Bogen genannt) oder Kompensatoren einzuplanen.^[3] In die Wärmedämmung der Rohre werden meist zwei blanke Kupferleitungen eingebettet, die per Widerstands- und Laufzeitmessung zur Rohrnetzüberwachung und Leckortung benutzt werden.

Rechtliche Situation in Deutschland

Definition durch den Bundesgerichtshof

Der Bundesgerichtshof definiert den Begriff Fernwärme wie folgt (Urteil v. 25. Oktober 1989 in NJW 1990,1181): “Wird aus einer nicht im Eigentum des Gebäudeeigentümers stehenden Heizungsanlage von einem Dritten nach unternehmenswirtschaftlichen Gesichtspunkten eigenständig Wärme produziert und an andere geliefert, so handelt es sich um Fernwärme. Auf die Nähe der Anlage zu dem versorgenden Gebäude oder das Vorhandensein eines größeren Leitungsnetzes kommt es nicht an.”

Rechtliche Grundlagen

Grundlage für die Versorgung mit Fernwärme ist ein Wärmeliefervertrag. Grundlagen hierfür sind unter anderem das BGB und die Verordnung über allgemeine Bedingungen für die Versorgung mit Fernwärme (AVBFernwärmeV) Verordnung des Bundesministers für Wirtschaft vom 20. Juli 1980 (BGBl. I, S. 742) – geändert durch die Verordnung zur Änderung der energiesparrechtlichen Vorschriften vom 19. Januar 1989 BGBl. I, S. 112).

Fernwärme und Wohnungseigentum

Vertragspartner ist i. d. R. der Wohnungs- oder Gebäudeeigentümer, jedenfalls derjenige, der die Verfügungsbefugnis über den Hausanschluss hat (§ 2 Abs. 2 AVBFernwämeV, so auch Landgericht Frankfurt/Main RdE 1989, Seite 165f.)

Situation in Deutschland

Heizhaus in Pasewalk

Die Fernwärme spielt im deutschen Energiemarkt nur eine Nebenrolle. Ihr Anteil ist in den östlichen Bundesländern, wo 32 % der Haushalte mit Fernwärme versorgt werden, wesentlich höher als in den westlichen Bundesländern, wo nur 9 % der Haushalte an ein Fernwärmenetz angeschlossen sind.^[4]

Der Anteil der Wohnungen, die mit Fernwärme beheizt werden, wird auf etwa 14 % beziffert.^[4] Der Marktanteil des Stroms aus der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) soll bei 7 % der Bruttostromerzeugung liegen.^[4]

Stand: 2005

Die Kraft-Wärme-Kopplung reduziert den Ausstoß des Treibhausgases Kohlendioxid (CO₂). Die AGFW beziffert die CO₂-Ersparnis durch die Fernwärmenutzung für 2002 auf 7,5 Mio. Tonnen. Eine besonders günstige CO₂-Bilanz haben Biomasseheizkraftwerke.

In einem Ausbau der Fernwärme, die in Heizkraftwerken erzeugt wird, liegen noch deutliche Potenziale zur Senkung der Emissionen, insbesondere der von CO₂. Die Fernwärmenetze sind in den letzten zehn Jahren zwar ausgebaut worden, was Netzlänge und die Anzahl der Übergabestationen betrifft. Trotzdem sind die Anschlusswerte und die Liefermengen rückläufig, weil die verbesserte Wärmedämmung der Gebäude die Nachfrage sinken lässt. In Deutschland werden nach wie vor Großkraftwerke ohne Fernwärmeauskopplung betrieben, obwohl dies bei den Anlagen technisch möglich wäre. Hier sind insbesondere die drei Kernkraftwerke des Konvoi-Typs (Isar 2, Emsland, Neckarwestheim 2) zu nennen. Vor allem in älteren Fernwärmenetzen ist zudem häufig die Situation anzutreffen, dass vornehmlich Großabnehmer angeschlossen sind, nicht jedoch die entlang der Fernwärmeleitungen liegenden Wohngebäude. Vor allem privatrechtliche Hemnisse, aber auch die damit verbundenen Investitionskosten erschweren den nachträglichen Anschluss dieser Wohngebäude, wohingegen die vorhandenen Leitungskapazitäten wegen des allgemein sinkenden Wärmebedarfs meist kein Hindernis darstellen. In mit Fernwärme erschlossenen Neubaugebieten kann die Kommune aus Gründen des Klimaschutzes für alle Grundstücke einen Anschluss- und Benutzungszwang an und für die Fernwärme vorschreiben. Dieser Anschluss- und Benutzungszwang ist mit einem Urteil des Bundesverwaltungsgerichtes (Urteil vom 25.01.2006, Aktenzeichen: BVerwG 8 C 13.05) rechtmäßig.

Hinterkranau

1955 begann ein Modellprojekt in Hinterkranau, bei dem auch die Verwendung von Öl für den Fernwärmetransport zum Endverbraucher getestet wurde.

Greifswald

Kernkraftwerk Greifswald westlich von Lubmin, von der Ostsee aus gesehen

Das von Greifswald im 20 km entfernten Lubmin erbaute Kernkraftwerk Lubmin (auch: Kernkraftwerk Nord) deckte ca. 10 % des Strombedarfs der DDR und diente bis 1990 auch dazu, vorrangig die südlichen Neubaugebiete von Greifswald mit Fernwärme zu versorgen. Ziel war, als erste Stadt der DDR schornsteinfrei zu werden. Nach Stilllegung der Kraftwerkblöcke wurde die fehlende Fernwärme behelfsmäßig durch Ölheizkessel und ab 1995 größtenteils durch erdgasbetriebene Blockheizkraftwerke erzeugt.

Flensburg und Fernwärme

1969 begannen die Stadtwerke Flensburg mit dem Aufbau des Fernwärmenetzes. Das vorhandene Kraftwerk wurde bis 1971 zu einem Heizkraftwerk mit 170 MW elektrischer und ca. 800 MW thermischer Leistung umgerüstet. Als Primärenergie wird Steinkohle eingesetzt, 2004 ca. 300.000 t. In das Netz sind vier Reserveheizwerke integriert. Das Versorgungsgebiet umfasst die Stadt Flensburg, die Stadt Glücksburg, die Gemeinde Harrislee und den dänischen Grenzort Padborg.

Das Leitungsnetz umfasst 577 km. Dieses Netz beliefert über 15.000 Anschlüsse im Versorgungsgebiet mit ca. 1 Mrd. kWh, das sind ca. 1.000 GWh, pro Jahr (Stand 2004).

Der Anteil der Fernwärme am Wärmemarkt (Raumwärme und Warmwasserbereitung) im Versorgungsgebiet beträgt ca. 98%. Dieser Erfolg des Fernwärmeangebots ist durch wirtschaftlich attraktive Preise für die Wärmeversorgung erreicht worden. Im Vergleich zu den sonst in Deutschland üblichen Einzelheizungen und durch die Kraft-Wärme-Kopplung im Heizkraftwerk ergibt sich eine beachtliche Schadstoffersparnis. Durch den Ersatz der vor 1969 noch vorherrschenden Einzelheizungen ist der Ausstoß von Stäuben stark reduziert worden.