Wärmemarkt

Dem Wärmemarkt kommt eine entscheidende Rolle bei der Erreichung der Klimaziele zu. Das zeigt eine Studie von Frontier Economics über die Rolle von Wasserstoff im Wärmemarkt.

Auszug aus der Studie:

Knapp ein Viertel der heutigen CO2-Emissionen haben ihren Ursprung im Wärmemarkt. Ursache hierfür ist ein erheblicher Energiebedarf – der jährliche Endenergieverbrauch für Raumwärme und Warmwasser beträgt knapp 800 TWh; im Vergleich zu 770 TWh im gesamten Verkehrssektor oder 550 TWh Stromverbrauch – und ein hoher Anteil fossiler Energieträger von etwa 80 %.

Die Bundesregierung hat sich zum Ziel gesetzt, die CO2-Emissionen im Gebäudesektor bis 2030 auf 67 Mio. t zu senken, gegenüber 118 Mio. t im Jahr 2020. In den nächsten 10 Jahren müssten also die Emissionen um 43 % sinken, etwa genauso stark wie in den vergangenen fast 30 Jahren (44 % zwischen 1990 und 2019), wobei das Tempo der Emissionsreduktion in den vergangenen Jahren bereits merklich zurückgegangen ist.

Um 43% sollen die CO2-Emissionen im Gebäudesektor in 10 Jahren sinken, genau so viel wie in den 30 Jahren zuvor.

Heute stellt das Gassystem über die Hälfte der Versorgung des Wärmemarktes mit Leistung und Energie bereit

Fast 50% der Raumwärme- und Warmwasserbereitstellung in Deutschland werden derzeit direkt aus Erdgas bedient. Das bestehende Gasnetz versorgt über 9 Mio. Wohngebäude mit rund 20 Mio. Wohnungen, damit wird ein Wärmebedarf von fast 400 TWh jährlich gedeckt. Weitere Wohngebäude mit etwa 2,5 Mio. Wohnungen werden indirekt über die mit Gas erzeugte Fernwärme erreicht.

Entscheidender als die bereitgestellte Energiemenge über das Jahr ist allerdings die Deckung des Energiebedarfs in Verbrauchsspitzen. Der Wärmebedarf ist von erheblicher Saisonalität geprägt, mit einem deutlich höheren Energiebedarf in Wintermonaten im Vergleich zu den Sommermonaten und dem daraus resultierenden hohen Bedarf zur saisonalen Speicherung. Das Gassystem ist seit jeher auf die Saisonalität des Wärmemarktes ausgelegt: So beträgt beispielsweise der gesamte Gasverbrauch im kältesten Monat (Januar oder Februar) schon in durchschnittlichen Jahren etwa das Dreifache des Verbrauchs im wärmsten Monat (Juli oder August). In einer Betrachtung von täglichen Leistungswerten beträgt die Peak-Last sogar etwa das Vierfache der Off-Peak-Last. Dies beinhaltet auch den vergleichsweise kontinuierlichen Gasverbrauch der Industrie, die saisonale Amplitude des Gasverbrauch für den Wärmemarkt ist entsprechend noch deutlich höher.

Im Rahmen der Studie wurde, unter Rückgriff auf gemessene Erdgasflüsse der deutschen Fernleitungsnetzbetreiber (FNB) von 2014 bis März 2021, eine maximale zeitgleiche Gaslast von über 250 GW identifiziert. Gemessen wurde die Maximallast am 12. Februar 2021, bei einer bundesweiten Durchschnittstemperatur von minus 7,1 Grad Celsius.

Unter Abzug der temperaturunabhängigen „Grundlast“ (v. a. für Warmwasser und Prozesswärme in der Industrie) von etwa 60 GW und der Berücksichtigung von Umwandlungsverlusten in Erdgasheizungen ergibt sich somit eine Heizleistung von 230 GW welche die heutige Gasinfrastruktur für den Wärmemarkt zur Verfügung stellt. Zum Vergleich: Die historische Stromspitzenlast beträgt knapp 80 GW.

230 GW beträgt die Leistung, welche die Gasinfrastruktur heute für den Wärmemarkt zur Verfügung stellt.

Durch die Umstellung auf Wasserstoff kann das Erdgasnetz einen wesentlichen Beitrag zur klimaneutralen Wärmeversorgung leisten

Fossiles Erdgas als Energieträger hat angesichts der Klimaschutzziele keine langfristige Zukunft. Spätestens für das Ziel der Klimaneutralität im Jahr 2045 kann Erdgas (ohne Abspaltung des CO2) keine Rolle mehr spielen.

Eine Alternative für Erdgas besteht neben grünen Derivaten wie Biogas und synthetischem Methan (SNG) in der direkten Nutzung von klimaneutral erzeugtem Wasserstoff. Durch den Einsatz von Wasserstoff kann der Beitrag des Gassystems, die hohe und stark saisonale Wärmenachfrage zu bedienen, auch in einer klimaneutralen Welt genutzt werden:

  • Die bestehenden Gasnetze (40.000 km Transport- und 510.000 km Verteilnetz) können auf Wasserstoff umgestellt werden. Die europäischen Gasnetzbetreiber haben hierzu bereits verschiedene Konzepte erarbeitet und erproben Umstellungen von Erdgaspipelines in konkreten Pilotprojekten in der Praxis. Ein Beispielkonzept für die Transportnetzebene ist der „European Hydrogen Backbone“, welcher zu 70 % auf konvertierten Erdgasleitungen basiert, in Deutschland sogar zu 90%. Des Weiteren erforschen die Verteilnetzbetreiber in verschiedenen Projekten wie Verteilnetze auf 100% Wasserstoff umgestellt werden können. Hier wird allgemein von einer hohen Konvertierungsquote aufgrund der weit verbreiteten Polyethylen-Leitungen ausgegangen.
  • In den Bestand gasbasierter Brennwertgeräte können gemäß Heizungsherstellern heute bereits ohne Anpassungsbedarf flexibel mindestens 10 Volumenprozent Wasserstoff beigemischt werden. Die jüngsten Generationen gasbasierter Brennwertgeräte könnten gemäß dieser Angaben 20-30 Volumenprozent Wasserstoffbeimischung ohne signifikante Mehrkosten sicher verarbeiten. Zudem sind einfache und kostengünstige Nachrüstlösungen durch deutsche Heizungsgerätehersteller für die Zeit ab 2025 angekündigt, um diese für „reinen” Wasserstoff zu ertüchtigen.

Eine umfassende Effizienzanalyse zeigt, dass Wasserstoff in der Heizperiode im Gebäudebestand ähnlich geeignet ist wie alternative Wärmetechnologien

Setzt man sich mit der Energieeffizienz bzw. dem Wirkungsgrad verschiedener Heizungstechnologien auseinander, kommt man je nach Sanierungsstand des Gebäudes und je nach Witterungssituation zu unterschiedlichen Ergebnissen. Wir analysieren hierzu den Gesamtwirkungsgrad der Wärmeversorgung, also das Verhältnis der Wärmeerzeugung zur erforderlichen Primärenergie unter Berücksichtigung von Energieverlusten durch Energieumwandlung und -transport. Dieser Gesamtwirkungsgrad

  • ist in Neubauten oder vollsanierten Altbauten aufgrund der guten Dämmung und der niedrigen benötigten Vorlauftemperaturen bei elektrischen Wärmepumpen durchgehend höher als bei wasserstoffbasierten Heizungssystemen. Entsprechend wird elektrischen Wärmepumpen zweifelsohne eine sehr wichtige Rolle insbesondere bei der klimaneutralen Wärmeversorgung von Neubauten zukommen;
  • liegt in nicht oder nur teilsanierten Altbauten in Situationen, welche für die Auslegung der Infrastruktur relevant sind, bei allen betrachteten Heizungssystemen in ähnlicher Größenordnung. Dies ist auf deutlich sinkende Wirkungsgrade von elektrischen Wärmepumpen bei unzureichender Wärmedämmung und bei kalten Außentemperaturen sowie signifikante Umwandlungsverluste durch saisonale Zwischenspeicherung bei unzureichendem Wind- und Solardargebot in der Heizperiode zurückzuführen.

Dies ist insofern von großer Bedeutung, da

  • nur 13% des heutigen Gebäudebestandes als vollsaniert oder Neubau gelten, während rund 36 % der Gebäude als unsaniert und 51 % als teilsaniert gelten;
  • die Wärmebereitstellung auch in Kälteperioden mit geringem Dargebot erneuerbarer Energien gewährleistet werden muss und die Wärmeinfrastruktur entsprechend auf diese Perioden ausgelegt werden muss.
87% des Gebäudebestandes ist unsaniert bzw. nur teilweise saniert. Hier weisen H2-Heizungen in der Heizperiode ähnliche Gesamtwirkungsgrade auf wie andere klimaneutrale Heizungssysteme.

Das Gassystem kann Spitzenlasten im Wärmebereich auffangen, die das Stromsystem bei einer umfassenden Elektrifizierung des Wärmebedarfs massiv herausfordern würden

Wie erläutert zeigen Messungen und entsprechende Hochrechnungen, dass die heutige Gasinfrastruktur eine Leistung von 230 GW für den Wärmemarkt zur Verfügung stellt. Gemäß einer Hochrechnung stellt die Heizölinfrastruktur weitere etwa 100 GW Leistung für den Wärmemarkt zur Verfügung.

Bisher werden nur knapp 5 % des Endenergiebedarfs für die Raumwärme- und Warmwasserbereitstellung unmittelbar durch Strom gedeckt. Entsprechend ist das Stromsystem bisher nicht den Anforderungen des Wärmemarktes mit enormen Leistungsspitzen in kalten Wintern ausgesetzt. Eine umfassende Elektrifizierung des Wärmeverbrauchs zur Erreichung von Klimaneutralität (in 2045) würde das Stromsystem entsprechend vor neue Herausforderungen stellen:

  • Die historische Strom-Spitzenlast von 80 GW würde sich allein durch die zusätzliche Bedienung des Raumwärme- und Wasserbedarfs mehr als verdoppeln.
  • Zeitgleich gehen im Zuge des Kern- und Kohleausstiegs bereits bis zum Jahr 2030 gesicherte Kapazitäten im Umfang von 36 GW (von bisher etwa 100 GW) vom Stromnetz. Des Weiteren wird sich der Bedarf an gesicherter Strom- Leistung und Netzausbau durch die Elektrifizierung weiterer Sektoren zusätzlich erhöhen. Allein der Mobilitätssektor könnte langfristig über 20 GW zusätzliche Spitzenlast verursachen.
  • Es besteht daher das Risiko, dass das Tempo beim Ausbau der Stromerzeugungskapazitäten zu langsam ist, um die perspektivische Versorgungslücke aufgrund des zunehmenden Bedarfs bei zeitgleich rückläufigen konventionellen Kraftwerkskapazitäten zu decken. Dies gilt sowohl im Bereich erneuerbare Energien als auch bei der erforderlichen Infrastruktur der Transport- und Verteilnetze, den Speichermöglichkeiten sowie den gesicherten Kraftwerkskapazitäten.
86 bis 124 GW beträgt die zusätzliche Strom-Spitzenlast im Fall einer umfassenden Elektrifizierung des Wärmemarktes durch Wärmepumpen – trotz Beschleunigung von Sanierungen. Die Strom-Spitzenlast würde sich also mindestens verdoppeln.

Wasserstoff im Wärmemarkt kann die Systemkosten senken und die Kostenbelastung für einkommensschwache Haushalte reduzieren

Selbst wenn ein rechtzeitiger Ausbau der erforderlichen Stromerzeugungs-, Stromtransport- und Stromverteilungskapazitäten gelänge, ließen sich durch den breiteren Einsatz von klimaneutralen Gasen wie Wasserstoff die Systemkosten der klimaneutralen Energieversorgung senken, wie eine Reihe von deutschen und europäischen Studien der letzten Jahre zeigt. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass durch die direkte Nutzung klimaneutraler Gase wie Wasserstoff in allen Verbrauchssektoren weniger Kraftwerke, Stromspeicher und Stromnetze benötigt werden als in allein bzw. primär auf elektrischen Anwendungen basierenden Versorgungsszenarien. Zudem fallen geringere Anschaffungskosten für neue Heizungssysteme bzw. geringere Sanierungskosten insbesondere in den unsanierten Bestandsgebäuden an.

Dies hat zudem Auswirkungen auf die Sozialverträglichkeit einer klimaneutralen Wärmeversorgung, da Kostenersparnisse durch geringere Heizungsanschaffungskosten und geringere Sanierungskosten insbesondere den einkommensschwachen Haushalten zu Gute kämen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass einkommensschwache Haushalte überproportional in unvollständig sanierten Bestandsgebäuden wohnen und zudem Energiekosten bei diesen Haushalten einen größeren Anteil am Haushaltsbudget ausmachen („Share of Wallet“).

Vor diesem Hintergrund sollte die Option des Einsatzes von Wasserstoff für den Wärmemarkt weiter aufrechterhalten werden.

Quelle: Die Rolle von Wasserstoff im Wärmemarkt, Studie von Frontier Economics für FNB Gas, 2021

Downloads

Frontier Economics, Wasserstoff im Wärmemarkt
PDF / 2 MB / DE
Frontier Economics, H2 in the Heat Market
PDF / 2 MB / EN
Impulspapier Wärmemarkt
PDF / 320 kB / DE

News

Alle News ansehen