mini|Thermodynamisches Prinzip der Fernwärme mini|hochkant|Fernwärmeleitung aus Kunststoffmantel-Verbundrohr
Als Fernwärme oder Fernheizung wird eine Wärmelieferung zur Versorgung von Gebäuden mit Raumwärme und Wärme für Warmwasser bezeichnet. Der Transport der thermischen Energie erfolgt in einem wärmegedämmten Rohrsystem, einem sogenannten Wärmenetz, das üblicherweise erdverlegt ist; teilweise werden jedoch auch Freileitungen verwendet. Fernwärme versorgt vor allem Wohngebäude neben Raumwärme auch mit Warmwasser, indem die Wärme vom Erzeuger oder der Sammelstelle zu den Verbrauchern geleitet wird. Bei der örtlichen Erschließung einzelner Gebäude, Gebäudeteile oder kleiner Wohnsiedlungen mit eigener Wärmeerzeugung spricht man auch von Nahwärme. Mit Stand 2013 existierten weltweit ca. 80.000 Fernwärmesysteme, davon ca. 6.000 in Europa.
Als Wärmelieferanten in Fernwärmenetzen dienen häufig mit fossilen Brennstoffen, Biomasse oder Müll befeuerte Heizkraftwerke und Blockheizkraftwerke. Diese werden in Kraft-Wärme-Kopplung betrieben und können auf diese Weise Brennstoffeinsparungen gegenüber einer separaten Strom- und Wärmeerzeugung erzielen. Zudem wird gelegentlich auch Abwärme aus Industrieprozessen, geothermische Energie, solarthermische Energie (Solare Fernwärme) und mittels Großwärmepumpen nutzbar gemachte Umweltwärme in Fernwärmesysteme eingespeist. Fernwärmetechnologien werden weiterentwickelt. So geht z. B. in Europa der Trend zu nachhaltigeren Fernwärmesystemen mit höherem Anteil an erneuerbaren Energiequellen, weniger Einsatz fossiler Energieträger, energieeffizienteren Systemen und geringeren Emissionen an Treibhausgasen und Luftschadstoffen. Ausschließlich mit erneuerbaren Energien betriebene Fernwärmesysteme sind mit Stand 2017 jedoch erst wenig verbreitet. Insbesondere in dicht besiedelten Gebieten sind solche Fernwärmesysteme jedoch ein wichtiger Bestandteil einer Wärmewende.
Auch mittels Kernspaltung kann Fernwärme erzeugt werden, sei es in Kraft-Wärme-Kopplung mit einem Kernkraftwerk oder als reines Heizwerk. Entsprechende Anlagen wurden vor allem im ehemaligen Ostblock gebaut.
Geschichte Aus archäologischen Stätten aus der Römerzeit weiß man, dass heißes Thermalwasser nicht nur für Badezwecke vor Ort verwendet wurde, sondern auch mittels Leitungen in Becken und Gebäude für Bodenheizungen transportiert wurde. Vorgänger von Fernwärmeheizungen existieren also bereits seit mehr als 2000 Jahren. Ein erstes „echtes“ Fernwärmesystem entstand 1334 in der französischen Ortschaft Chaudes-Aigues. Dort wurde heißes Thermalwasser aus einer Quelle in den Ort geleitet, um mehrere Häuser zu versorgen.
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. Die ersten Fernwärmesysteme der Neuzeit wurden in den 1870er und 1880er Jahren in Lockport und New York errichtet. In den 1920er Jahren wurden in Deutschland die ersten europäischen Fernwärmenetze installiert; zugleich fand ein Übergang von ineffizienten Dampfsystemen auf Heißwasser statt. In den 1930er Jahren begann die Sowjetunion mit dem Bau von Fernwärmesystemen, in den 1950er Jahren auch die Volksrepublik China. In den 1970er Jahren wuchs mit den Ölkrisen das Interesse an der Fernwärmeversorgung stark an, worauf hin einige Länder, insbesondere die skandinavischen Staaten, neue Fernwärmenetze der nun dritten Generation bauten. Infolge der Energiewende hin zu einer nachhaltigen Energieversorgung wird mittlerweile eine vierte Generation erforscht und in der Praxis etabliert.
Technischer Ablauf mini|Übersichtliches Erklärvideo zur Fernwärme Ein Fernwärmesystem besteht aus verschiedenen Hauptkomponenten, die zusammen das Gesamtsystem bilden. Hierzu zählen die Wärmeerzeugungsanlagen (häufig in Kraft-Wärme-Kopplung betriebene Heizkraftwerke), das meist mit Heißwasser betriebene Fernwärmenetz samt Pumpstationen und Hausanschlüsse sowie die Übergabestationen, die die Wärme an die Gebäudeheizung abgeben.
Wegen des auch bei sehr guter Wärmedämmung nicht zu vermeidenden Wärmeverlustes über längere Strecken und des hohen Investitionsaufwandes für das Leitungssystem eignet sich Fernwärme häufig nur bei dichter Bebauung. Fernwärmenetze weisen üblicherweise sternförmige Verteilstrukturen mit maximalen Leitungslängen im Bereich einiger 10 km auf. Die längste Fernwärmeleitung in Österreich mit 31 km befindet sich zwischen dem Kraftwerk Dürnrohr und der niederösterreichischen Landeshauptstadt St. Pölten. In Deutschland wird bei normaler Vorortbebauung das Wort „fernwärmeversorgungsunwürdig“ benutzt, wenn eine Fernwärmeversorgung unrentabel erscheint. In Skandinavien, wo die Fernwärme eine zentrale Rolle im Wärmemarkt spielt, werden Fernwärmenetze auch in den Villenvorstädten betrieben. Beispielsweise deckt die Fernwärme in Dänemark etwa die Hälfte des dänischen Wärmebedarfs (Stand 2018). Ein weiterer Ausbau auf bis zu 65–70 % wird für möglich erachtet, während hingegen für dünn besiedelte Gegenden Wärmepumpenheizungen als eine günstigere Option betrachtet wurden.
Wärmequellen mini|Erdgasbefeuertes GuD-Heizkraftwerk. Im Bild das Heizkraftwerk Berlin-Mitte
Fernwärmenetze verfügen über die Eigenschaft, sehr flexibel eine Vielzahl unterschiedlicher Wärmequellen nutzen zu können, die sowohl zentral als auch dezentral sein können. Üblicherweise erfolgt die Erzeugung von Fernwärme in großen Kraftwerken mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), kleineren Blockheizkraftwerken, in Müllverbrennungsanlagen oder Fernheizwerken. Als Brennstoff werden die verschiedenen Formen der Kohle, Erdgas, Biogas, Öl, Holz und Holzprodukte, Solarthermie 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 Hochtemperaturabwärme von Industriebetrieben, zum Beispiel von Raffinerien oder Stahlwerken, als Wärmequelle genutzt. Die wichtigsten Energieträger sind derzeit weiterhin fossile Energieträger wie Erdgas und Kohle, die 2012 etwa 70 % der Wärmeenergie in den europäischen Fernwärmenetzen lieferten.
mini|Multi-MW-Großwärmepumpe zur Nutzung industrieller Abwärme in einem österreichischen Fernheizwerk. Für nachhaltige Fernwärmesysteme sind hingegen erneuerbare Energien und die Nutzung von Abwärme die wünschenswertesten Energiequellen. Im Rahmen der Energiewende und der damit einhergehenden Umstellung der Strom- und Wärmeversorgung auf erneuerbare Energien kommen daher zunehmend weitere Wärmequellen zum Einsatz. So können z. B. mit Wind- oder Solarstrom betriebene Großwärmepumpen die thermische Energie liefern und zugleich dazu beitragen, die fluktuierende Einspeisung dieser Energiequellen zu glätten. Diese Sektorenkopplung zwischen Elektrizitäts- und Wärmesektor kann im Energiesystem eine Schlüsselrolle bei der Integration variabler erneuerbarer Energien spielen. Zugleich gilt der Einsatz von Wärmepumpen in Fernwärmesystemen als eine der vielversprechendsten Wege, um die Energieeffizienz von Fernwärmenetzen zu steigern und die Klimaschutzziele zu erreichen, nicht zuletzt, da Wärmepumpen bei Bezug von Ökostrom emissionsfrei arbeiten.
Als Wärmequellen für Großwärmepumpen kommen u. a. Niedertemperaturabwärme aus der Industrie, Supermärkte, Abwässer (z. B. aus Kläranlagen), Trink-, Brauch- und Grundwasser, Flüsse, Seen und das Meerwasser in Frage. Hohes Potential für Großwärmepumpen besteht insbesondere in der Nutzung von Abwässern und Oberflächenwasser als Wärmequelle, die beide auch den Vorteil haben, üblicherweise in Siedlungsnähe vorzukommen und langfristig zur Verfügung zu stehen. Ein auf Meerwasser basierendes System wird z. B. bereits seit den 1970er Jahren im Fernwärmenetz Stockholms eingesetzt, ein weiteres Beispiel ist die Wärmepumpe Drammen. Eine weitere leistungsfähige Wärmequelle sind Rechenzentren. Große Rechenzentren können einen dauerhaften Leistungsbezug von 100 MW elektrischer Energie aufweisen. Bis zu 97 % der dabei entstehenden Abwärme kann mit Großwärmepumpen nutzbar gemacht und die Wärmeenergie anschließend in Fernwärmenetze eingespeist werden. Mit Stand 2017 wird dies bereits in verschiedenen Rechenzentren in den nordischen Ländern praktiziert, insbesondere in Finnland und Schweden. In Deutschland spielt sie bislang kaum eine Rolle, wobei erste Projekte auch hier einen Wandel erkennen lassen. Stand 2023 könnte der Rollout von Großwärmepumpen drei Viertel des deutschen Erdgasverbrauchs und damit ein Viertel der deutschen CO2e-Emissionen einsparen.
mini|Fernwärmespeicher des Kraftwerkes Theiß mit 50.000 m³ Fassungsvermögen mini|Solarkollektoren für Solare Fernwärme im Wärmeverbund Marstal Kurzzeitige Überschüsse an Ökostrom können mit Elektrodenheizkesseln in Wärme verwandelt und anschließend in Fernwärmenetze oder Fernwärmespeicher geleitet werden. Diese Technologie wird als Power-to-Heat bezeichnet und findet inzwischen rasche Verbreitung. Sowohl Elektrodenkessel als auch Wärmepumpen sind ausgereifte Technologien, die am Markt zur Verfügung stehen. Allerdings unterscheiden sich die Einsatzprofile deutlich: Während Elektrodenkessel besonders flexibel betrieben werden können, sind Wärmepumpen eher als Grundlasttechnologie geeignet, da sie hohe Investitionskosten, aber niedrige Betriebskosten haben. Wärmepumpen weisen dafür gegenüber Heizstäben und Elektrodenkesseln eine deutlich höhere Energieeffizienz auf, sodass für die gleiche Heizenergie weniger Strom benötigt wird. Die auf diese Weise eingesparte elektrische Energie steht somit für weitere Zwecke zur Verfügung.
Als besonders vorteilhaft für die Integration hoher Anteile an erneuerbaren Energien bei zugleich sehr hohen Gesamtwirkungsgraden wird die Kombination von Blockheizkraftwerken und anderen in Kraft-Wärme-Kopplung betriebenen Kraftwerken mit Wärmepumpen sowie Wärmespeichern betrachtet. In einem solchen System würden Wärmepumpen während Zeiten hoher Stromproduktion aus Wind- und/oder Solarenergie den Wärmebedarf decken und zugleich etwaige Stromüberschüsse verwerten, während die BHKWs abgeschaltet bleiben könnten. Bei nur niedriger Stromproduktion aus erneuerbaren Energien würden hingegen die BHKWs sowohl Strom und Wärme liefern. Durch die Integration von Wärmespeichern in ein solches System ließe sich zudem Strom- und Wärmeproduktion voneinander entkoppeln, sodass etwaige Verluste durch temporär nicht benötigte Wärme der BHKWs minimiert würden.Vgl. Henrik Lund: Renewable Energy Systems: A Smart Energy Systems Approach to the Choice and Modeling of 100 % Renewable Solutions, Academic Press 2014, Kap 5, insb. S. 96.
Ebenfalls möglich ist der Bau von Solarthemieanlagen auf Dächern oder als Freiflächenanlage, die als unterstützende Wärmequelle direkt in Fernwärmenetze einspeisen oder in Kombination mit Saisonspeichern den Heizbedarf ganzjährig decken können. Dies wird als Solare Fernwärme bezeichnet. Mit Stand 2017 existieren Großanlagen mit einer Kollektorfläche von einigen 10.000 m². Vorreiter ist Dänemark, wo bei Großanlagen inklusive Saisonspeicher Wärmegestehungskosten von 2–6 ct/kWh erreicht werden. Auch solare Nahwärmeanlagen sind möglich, können jedoch nicht als alleinige Wärmequelle dienen.Vgl. Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer: Handbuch Regenerative Energietechnik, Berlin/Heidelberg 2017, S. 419–422.
Nukleare Fernwärme ist verhältnismäßig wenig verbreitet und findet und fand vor allem in den Ländern des ehemaligen Ostblocks – darunter auch beim Kernkraftwerk Greifswald in der damaligen DDR – Anwendung. Zumeist handelt es sich hierbei um Kraft-Wärme-Kopplung, wobei jedoch auch Konzepte für reine nukleare Heizwerke ohne (nennenswerte) Stromerzeugung existieren.
Rohrleitungsnetz