Forschungsprojekt „FernWP“: Großwärmepumpen erschließen ungenutzte Energiequellen

Die nationalen Klimaschutzziele geben vor, dass die Fernwärme in Deutschland Bis 2045 CO₂-neutral sein soll. Noch liefern Kohlekraftwerke viel Wärme in deutsche Fernwärmenetze. Das Forschungsprojekt „FernWP“ unter Leitung der Fraunhofer Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geotechnologien (IEG) hat untersucht, wie Großwärmepumpen natürliche und industrielle Wärmequellen für eine klimaneutrale Fernwärmeversorgung nutzen können. Darüber hinweg sind die aktuellen ökonomischen Hemmnisse analysiert und ökonomische Rahmenbedingungen für den Einsatz von Großwärmepumpen weiterentwickelt worden.

Wärmepumpen funktionieren als Gebäudeheizungen oder in höheren Leistungs- und Temperaturklassen auch in Fernwärmenetzen und Industrieprozessen.
Bild: Frank Wiedemeier

Fossile Kraftwerke erzeugen meist Strom und Wärme zugleich. Nach Angaben der Bundesnetzagentur betrieben Anfang 2024, 123 von 141 Kraftwerksblöcke Wärmeauskopplung. Mit dem Kohleausstieg soll die Stromerzeugung grüner werden. Fernwärmenetze, die einen großen Anteil ihrer Wärme von fossil gefeuerten KWK-Anlagen beziehen, stehen vor der Herausforderung ihre Wärmeversorgung zu gewährleisten und zu dekarbonisieren. Eine Alternative zur fossilen Wärmeerzeugung ist die Einbindung natürlicher Wärmequellen wie Luft, Gewässer und geothermale Wärme. Darüber hinaus kann industrielle Abwärme, kombiniert mit Großwärmepumpen (GWP), laut Fraunhofer IEG einen signifikanten Beitrag zur Dekarbonisierung der leitungsgebundenen Wärmeversorgung leisten und bestehende Kraftwerksblöcke als Wärmequelle anteilig oder in Gänze ersetzen.

Standortanalyse zeigt Potenziale vorhandener Wärmequellen

Im Forschungsprojekt „FernWP – Fern- und Prozesswärmeversorgung durch Wärmepumpen als Ersatz der Kohleverbrennung“ hat das Projektteam analysiert, ob sich bereits existierende Wärmequellen an acht exemplarischen Kraftwerkstandorten für GWP eignen und welchen Anteil der Wärmenachfrage sie decken können. Die Forschenden bewerteten diese Eignung aufgrund der zeitlichen bzw. räumlichen Verfügbarkeit von natürlichen Wärmequellen, der Temperaturniveaus, sowie netzspezifischer Charakteristika. Die Ergebnisse zeigen: Niedertemperatur-Wärmequellen haben ein hohes verfügbares Einsatzpotenzial und können den Fernwärmebedarf unter Bezug von Großwärmepumpentechnologie in Deutschland anteilig oder gänzlich decken. Das verfügbare Wärmeangebot aus natürlichen und anthropogenen Quellen hängt jedoch stark vom Standort ab, wobei die geografische Lage und die vorhandene Infrastruktur an Kraftwerksstandorten zur weiteren Nutzung eine wichtige Rolle spielen.

Großwärmepumpen als Baustein klimaneutraler Fernwärme

„Mit Großwärmepumpen lassen sich natürliche Wärmequellen effizient nutzen und die Wärmeerzeugung aus Kohle schrittweise ersetzen“, erklärt Anja Hanßke, Projektleiterin des Forschungsprojekts „FernWP“. „Das eröffnet neue Perspektiven für eine nachhaltige Fernwärmeversorgung.“ Das Projekt zeigt, dass Großwärmepumpen gegenüber konventionellen Technologien einen flexiblen Betrieb vorlegen können: Sie können unterschiedlich temperierte Wärmequellen effizient nutzen und je nach Anforderungen der Fernwärmenetze grüne Fernwärme anbieten. Zudem binden Großwärmepumpen erneuerbare Energiequellen effektiv ein. Jedoch müssen die spezifischen Bedingungen in den Einsatzregionen Deutschlands, wie die Bevölkerungsdichte und bereits vorhandene Infrastruktur beim Einsatz von Großwärmepumpen berücksichtigt werden. Eine Reduktion von Netzvorlauftemperaturen, soweit möglich, kann die Gesamteffizienz beim Einsatz von Großwärmepumpen weiter erhöhen. Die Transformation von Standorten mit Kohlekraftwerken zur Betriebsstätte von Großwärmepumpen ist grundsätzlich möglich, erfordert jedoch Anpassungen und Investitionen. Die analysierten Kohlekraftwerksstandorte, an denen Wärmequellen wie Oberflächen- bzw. Fließgewässer, Geothermie und Solarthermie vorliegen, bieten aufgrund dieser Quellen ausreichend Potenziale, die für die Fernwärmeversorgung durch Großwärmepumpen erschlossen werden könnten.