Mit Solarthermie Wärmenetze dekarbonisieren

So wie Dänemark als Vorreiterland für solare Wärmenetze gilt, so entwickelt sich Graz immer mehr zur Vorzeigestadt für Solarthermie in der Fernwärmeversorgung. Nicht nur ist ein Meilenstein in dem Projekt „BIG SOLAR Graz“ geschafft: Die Flächen für den Bau eines Großwärmespeichers mit Technikgebäude und eines relevanten Teils von bis zu 450.000 Quadratmetern Solarkollektoren sind nun gesichert. Graz kann, neben der schon länger in Betrieb befindlichen und mit 5,4 MWth größten Solarthermieanlage Mitteleuropas, auch weitere neue Vorzeigeprojekte vorweisen, so zum Beispiel das „HELIOS-Projekt“. Errichtet auf einer ehemaligen Hausmülldeponie, speisen hier drei Wärmequellen in einen Großspeicher ein: eine Solarthermieanlage, ein Power-to-heat-Modul und ein mit Deponiegas betriebenes BHKW. Aus diesem Grund wurde die zweitgrößte Stadt Österreichs in diesem Jahr als Austragungsort für die „5th International Solar District Heating Conference” ausgewählt. Am 11. und 12. April 2018 tagten hier rund 350 Wissenschaftler, Vertreter aus der Industrie, von Kommunen und Energieversorgern sowie andere Entscheider aus 33 Ländern. Die Verdopplung der Teilnehmerzahl im Vergleich zur Konferenz vor zwei Jahren belegt das große Interesse an dieser Technologie zur Dekarbonisierung von Wärmenetzen. Die Tagungsleiter Christian Fink vom AEE – Institut für Nachhaltige Technologien in Gleisdorf und Thomas Pauschinger vom Steinbeis Forschungsinstitut Solites in Stuttgart werten dies als sehr positives Signal für die Nutzung der Solarthermie in Fernwärmenetzen.Fast 300 Anlagen mit einer Leistung über 350 kWth, die in Wärmenetze einspeisen, gibt es derzeit in den Ländern der Europäischen Union. Die installierte Gesamtkapazität liegt bei 1.100 Megawatt. Werner Lutsch, Präsident des europäischen Fernwärmeverbandes Euroheat&Power und Geschäftsführer des deutschen Fernwärmeverbands AGFW, bezeichnete die Kombination von Fernwärme und Solarthermie auf der Konferenz als „eine gute Lösung“ zur CO2-Reduktion und zum Erreichen des EU-Ziels. Immerhin sollen laut Heating & Cooling-Strategie der EU bis zum Jahr 2050 80 % Kohlendioxid im Vergleich zu 1990 eingespart werden. Zu den Vorteilen sagte Lutsch: „Solarwärme ist CO2-frei, Sonnenenergie ist überall verfügbar, die Wärmekosten sind über die nächsten 25 Jahre kalkulierbar, und es ist eine ausgereifte und erprobte Technologie.“

Allerdings gebe es auch Hürden bei der Umsetzung solcher Projekte, räumte er ein. Die größte Barriere besteht in dem Flächenbedarf für erneuerbare Energien wie z.B. die Solarthermie. Um Kosten zu minimieren, müssen sie in der Nähe der Wärmeabnehmer installiert sein, und Landflächen in Städten oder im Umland sind meist knapp und teuer. „Außerdem ist es aktuell noch eine Nischentechnologie und das Wissen darüber ist noch zu wenig verbreitet“, sagte Lutsch weiter. Dazu kommt die Kostenkonkurrenz zu anderen Wärmeerzeugern, zum Beispiel mit günstigem Erdgas. Gleichwohl: Solarthermie-Anlagen können heute schon solare Deckungsgrade bis zu 50 % in Wärmenetzen erreichen. Die Erzeugungskosten liegen bei 30 bis 50 €/MWh. Für dieses Jahr prognostizieren Marktforscher, dass Solarthermieanlagen europaweit bereits eine Terawattstunde (= 1 Mrd. kWh) zur Fernwärmeversorgung beitragen werden.

Best practice-Beispiele

Wie Projekte erfolgreich umgesetzt werden können, konnten die Konferenzteilnehmer auf Exkursionen in Augenschein nehmen. Eine Station war die oben erwähnte HELIOS-Anlage, ein Projekt des Energieversorgers „Energie Graz“. Im ersten Bauabschnitt wurden im vergangenen Jahr 2.000 m² Flachkollektoren auf einer ehemaligen Hausmülldeponie im Grazer Stadtgebiet installiert. Dazu wurde ein Wärmespeicher mit 2.500 m³ Fassungsvermögen errichtet. Zusätzlich erzeugen ein Power-to-heat-Modul mit 90 kW Leistung und ein Deponiegas-BHKW mit 170 kWth Wärme. Die Einspeiseleistung in das Fernwärmenetz liegt bei bis zu 10 MW. Ein intelligentes Speichermanagementsystem sorgt dafür, dass Spitzenlasten in dem Wärmenetz verschoben werden und somit vorrangig Wärme aus erneuerbaren Energien genutzt wird. Seit November läuft die Anlage im Testbetrieb. Die Energie Graz plant, die Kollektorfläche auf 10.000 m² zu erweitern.

Eine andere Station war das Fernheizwerk Puchstraße, wo bereits heute 7.750 m² Solarkollektoren Wärme in das Grazer Fernwärmenetz einspeisen. Rund 5.000 m² der Solarkollektoren wurden 2007 auf Gebäuden errichtet, 2014 wurden weitere 2.750 m² auf dem Gelände des Heizwerks installiert. Aktuell erweitert der Betreiber S.O.L.I.D. GmbH die Anlage nochmals um 500 m² Solarkollektoren. In dieser Anlage sollen – wie in der ersten Freilandanlage – Kollektoren von verschiedenen Herstellern im Fernwärmebetrieb getestet werden.

Die zweite Exkursion führte in die Gemeinde Eibiswald. Seit 1997 unterstützen hier eine Solarthermieanlage mit 1.250 m² Solarkollektoren und ein Wärmespeicher mit 105 m³ Fassungsvermögen das Biomasseheizwerk. Zu dieser Zeit konnte die Solarthermieanlage 90 % des Sommerbedarfs im örtlichen Wärmenetz decken. Durch neue Kunden stieg der jährliche Wärmebedarf 2012 auf 8 GWh an. Das Netz war nun 10.000 Meter lang. Deshalb wurden weitere 1.200 m² Solarkollektoren und ein 70 m³ fassender Pufferspeicher installiert. Der solare Deckungsanteil liegt bei 12 %. Den Hauptteil des Wärmbedarfs decken zwei Hackschnitzelkessel mit 2,3 MW und 0,7 MW Leistung. Dank der Solarthermie können sie im Sommer komplett außer Betrieb gehen. „Dies ist eine in den ländlichen Regionen Österreichs häufig vorkommende Kombination zweier Erneuerbarer“, so Fink.

In der Summe speisen in der Region Graz und in der Steiermark derzeit Anlagen mit rund 35 MWth (rund 50.000 m² Kollektorfläche) Solarwärme in Fernwärmenetze ein. Die Stadt Graz will ihre Wärmeversorgung mittelfristig komplett dekarbonisieren und hat sich für Solarthermie als eine Technologie hierfür entschieden. Die Anlage „BIG SOLAR Graz“ soll in ihrer Endausbaustufe 20 % des Fernwärmebedarfs decken. Rund 4.400 Gebäude könnten damit vollständig versorgt werden.

Wachsender Markt in Deutschland

Auch in Deutschland geht es voran. Hier sind zurzeit rund 25 große Solarthermie-Anlagen mit Anbindung an ein Wärmenetz in Betrieb. Weitere Anlagen mit einer Gesamtleistung von rund 40 MWth sind in Planung und Vorbereitung.

Das stärkste Marktsegment sind aktuell Energiedörfer. Gleich fünf Anlagen sollen in diesem Jahr in Betrieb gehen. Sie entstehen in Randegg und Liggeringen (beide in Baden-Württemberg), Mengsberg (Hessen), Ellern (Rheinland-Pfalz) sowie Breklum (Schleswig-Holstein). Aktiv sind aber auch städtische Energieversorger, wie an der größten netzgebundenen Solarwärmeanlage Deutschlands im brandenburgischen Senftenberg und einer neuen Pilotanlage der Stadtwerke Düsseldorf zu erkennen ist. „Wir gehen davon aus, dass sich bei Großanlagen die Kollektorfläche in Deutschland in den nächsten Jahren verdoppeln wird. Den wesentlichen Teil der derzeitigen Planungen sehen wir dabei im Segment der städtischen Fernwärme.“, so Pauschinger.

Die Nase weit vorn hat allerdings immer noch Dänemark. Hier gibt es mittlerweile über 110 Anlagen mit rund 700 MW thermischer Leistung. Dass Dänemark diese Vorreiterrolle einnehmen konnte, liegt auch an den politischen und infrastrukturellen Gegebenheiten. Zum einen sind die fossilen Brennstoffe Öl und Gas hoch besteuert. Zum anderen ist die Fernwärme in Dänemark stark verbreitet.

Deutlich zeigt sich an den dänischen Beispielen, wie durch die großen Wärmespeicher die Nutzung erneuerbarer Energien und der Strom-Wärme-Sektorenkopplung auf lokaler Ebene „smart“ kombiniert werden können. Durch die Großspeicher können sowohl KWK-Anlagen als auch Power-to-Heat-Anlagen optimal betrieben werden.

Neue Generation der Fernwärmeversorgung

Die oben genannten Projektbeispiele weisen auf Trends hin. Christian Maaß, Direktor des Hamburg Instituts, sprach von der „nächsten Generation der Fernwärmeversorgung“, die nun begonnen habe. „Wärmenetze werden eine Plattform für die unterschiedlichsten Wärmequellen sein: Solarthermie, Biomasse, Industrieabwärme, Müllverbrennung, Geothermie und Wärmepumpen.“

Dass es auch für die Montage der Solarkollektoren verschiedenste Optionen gibt, zeigte Simona Weisleder vom Hamburg Institut auf. Es gäbe eine fehlende Bereitschaft, landwirtschaftliche Flächen für solarthermische Großanlagen zur Verfügung zu stellen, konstatierte sie und präsentierte Alternativen. Bei dem „Energie-Bunker“ in Hamburg-Wilhelmsburg sind die Solarkollektoren beispielsweise auf einem alten Bunker montiert. Sie können aber auch auf Parkhäusern, Gewächshäusern, auf Industrie- und Geschosswohnungsbauten, auf still gelegten Mülldeponien, bei Klärwerken und an Lärmschutzwänden montiert werden. Denkbar ist auch, sie entlang Straßen zu installieren oder aufgeständert über landwirtschaftlichen Flächen, wie es bei so genannten Agro-Photovoltaik-Anlagen schon erprobt wird. „In Workshops konnten wir ein großes Interesse an Win-Win-Lösungen feststellen“, berichtete sie. Teilnehmende Vertreter von Landesinstitutionen aus der Steiermark, Thüringen und der französischen Region Auvergne-Rhone-Alpes präsentierten diesbezüglich ihre Initiativen für verbesserte rechtliche Rahmenbedingungen und eine bessere Flächenverfügbarkeit für erneuerbare Energien.

Die Technik ist ausgereift und kann heute genutzt werden, lautete das Fazit der Konferenz. In der abschließenden Podiumsrunde forderten die Diskutanten gleichwohl ein stärkeres Engagement der Politik, um Maßnahmen zur CO₂-Reduktion anzustoßen. Angesichts des niedrigen Preises für fossile Energieträger müsse es Anreize geben, um erneuerbare Energien attraktiver zu machen. Eine Möglichkeit könne sein, CO₂ zu besteuern. Abschließend appellierte Maaß an die Branche, trotz nicht optimaler politischer Rahmenbedingungen selbstbewusst zu sein und Projekte umzusetzen. „Wir haben alle Argumente auf unserer Seite.“