mini|hochkant=1.75|Schematische Funktionsweise eines kalten Nahwärmenetzes Kalte Nahwärme beziehungsweise Kalte Fernwärme ist eine technische Variante eines Wärmenetzes, das mit niedrigen Übertragungstemperaturen in der Nähe der Umgebungstemperatur arbeitet und daher sowohl Wärme als auch Kälte bereitstellen kann. Üblich sind Übertragungstemperaturen im Bereich von ca. 10–25 °C, wodurch diese Systeme mit Temperaturen deutlich unterhalb herkömmlicher Fern- oder Nahwärmesysteme arbeiten. Dadurch können verschiedene Verbraucher unabhängig voneinander gleichzeitig heizen und kühlen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Wärmenetzen erfolgen Warmwassererzeugung und Gebäudeheizung nicht direkt über Wärmetauscher, sondern über Wasser-Wärmepumpen, die ihre Wärmeenergie aus dem Wärmenetz gewinnen. Die Kühlung kann entweder direkt über das Kaltwärmenetz oder ggf. indirekt über die Wärmepumpen erfolgen.
Kalte Nahwärmenetze werden teils auch als Anergienetze bezeichnet. Die Sammelbezeichnung in der wissenschaftlichen Fachterminologie für derartige Systeme lautet . Aufgrund der Möglichkeit, komplett mittels erneuerbarer Energien betrieben zu werden und zugleich einen Beitrag zum Ausgleich der schwankenden Produktion von Windkraft- und Photovoltaikanlagen zu leisten, gelten kalte Nahwärmenetze als vielversprechende Option für eine nachhaltige, potenziell treibhausgas- und emissionsfreie Wärmeversorgung und damit als Kerntechnologie einer Wärmewende.
Begriffe Mit Stand 2019 hat sich noch keine einheitliche Bezeichnung für die hier beschriebenen Wärmenetze der fünften Generation herausgebildet, auch existieren verschiedene Definitionen für das generelle technische Konzept. So werden in der englischsprachigen Fachliteratur die Begriffe Low temperature District Heating and Cooling (LTDHC), Low temperature networks (LTN), Cold District Heating (CHD) und Anergy networks bzw. Anergy grid verwendet. Außerdem gibt es in manchen Publikationen definitorische Konflikte bei der Abgrenzung zu „warmen“ Fernwärmenetzen, da bestimmte Autoren Low temperature District Heating and Cooling sowie Ultra-low temperature District Heating als Unterformen der vierten Generation von Fernwärmesystemen betrachten. Zudem erlaubt es die Definition von sog. Low-ex-Netzen, diese sowohl als vierte als auch als fünfte Generation einzuordnen. Im deutschsprachigen Raum sind u. a. Kalte Nahwärme und Anergienetz gebräuchlich.
Geschichte mini|Entwicklung Wärmenetze (Grafik: RWTH Aachen (E.ON Energieforschungszentrum)) Als erstes kaltes Fernwärmenetz gilt das Wärmenetz in Arzberg in Oberfranken. Im dortigen, inzwischen stillgelegten Kraftwerk Arzberg wurde zwischen Turbinenkondensator und Kühlturm ungekühltes Kühlwasser entnommen und über Rohrleitungen zu verschiedenen Gebäuden geleitet, wo es dann als Wärmequelle für Wärmepumpen diente. Geheizt wurden damit neben verschiedenen Wohnhäusern und Gewerbebetrieben die Schule und das Schwimmbad.Leonhard Müller: Handbuch der Elektrizitätswirtschaft: Technische, wirtschaftliche und rechtliche Grundlagen. Berlin/Heidelberg 1998, S. 266f.
Eine weitere sehr frühe Anlage wurde 1979 in Wulfen in Betrieb genommen. Dort wurden 71 Gebäude versorgt, wobei die Wärmeenergie aus dem Grundwasser entnommen wurde. 1994 wurde schließlich das erste kalte Wärmenetz eröffnet, das Abwärme aus einem Industriebetrieb nutzte, einem Textilunternehmen. Ebenfalls 1994 (nach Pellegrini und Bianchini bereits 1991) wurde im schweizerischen Oberwald ein kaltes Nahwärmenetz errichtet, das mit Sickerwasser aus dem Furka-Basistunnel betrieben wird.
Insgesamt waren mit Stand Januar 2018 in Europa 40 Anlagen in Betrieb, davon jeweils 15 in Deutschland und der Schweiz. Bei den meisten Projekten handelte es sich dabei um Pilotanlagen mit einer Wärmeleistung von einigen 100 kWth bis in den einstelligen MW-Bereich, die größte Anlage hatte eine Leistung von ca. 10 MWth. In den 2010er Jahren kamen etwa drei Anlagen pro Jahr hinzu.
Konzept Kalte Wärmenetze sind Wärmenetze, die mit sehr niedrigen Temperaturen nahe der Umgebungswärme betrieben werden (etwa im Bereich 5–35 °C, meist zwischen 10 und 25 °C). Sie können von einer Vielzahl häufig regenerativer Wärmequellen gespeist werden und erlauben die simultane Produktion von Wärme und Kälte. Da die Betriebstemperaturen nicht ausreichend sind für die Warmwasser- und Heizwärmeproduktion, wird die Temperatur beim Abnehmer mittels Wärmepumpen auf das erforderliche Niveau angehoben. Auf die gleiche Art und Weise kann auch Kälte produziert werden und die Abwärme ins Wärmenetz zurückgespeist werden. Auf diese Weise sind Angeschlossene nicht nur Kunden, sondern können als Prosumer fungieren, die abhängig von den jeweiligen Umständen sowohl Wärme konsumieren oder produzieren können.
Das Konzept der kalten Nahwärmenetze stammt von Grundwasserwärmepumpen als auch Open-Loop-Wärmepumpen ab. Während erstere vorwiegend zur Versorgung von Einzelhäusern eingesetzt werden, sind letztere häufig in Gewerbegebäuden anzutreffen, die sowohl Wärme- als auch Kühlbedarf haben und diesen parallel decken müssen. Kalte Nahwärme erweitert dieses Konzept auf einzelne Wohngebiete oder Stadtteile. Wie gewöhnliche Erdwärmepumpen haben Kalte Nahwärmenetze gegenüber Luftwärmepumpen den Vorteil, aufgrund des niedrigeren Temperaturdeltas zwischen Wärmequelle und Heiztemperatur effizienter zu arbeiten. Gegenüber Erdwärmepumpen haben Kalte Nahwärmenetze jedoch den zusätzlichen Vorteil, dass auch im städtischen Raum, wo häufig Platzprobleme den Einsatz von Erdwärmepumpen verhindern, über zentrale Wärmespeicher saisonal Wärme gespeichert werden kann, und darüber hinaus die unterschiedlichen Lastprofile verschiedener Gebäude ggf. einen Ausgleich zwischen Wärme- und Kältebedarf ermöglichen. Während heutzutage der Kältebedarf häufig durch Kältemaschinen gedeckt wird, die ihre Abwärme ungenutzt in die Umgebung abgeben, könnte zukünftig die freiwerdende Abwärme sinnvoll genutzt werden, wodurch erhebliches Potential zur Energieeinsparung besteht. Eine Nutzung dieser Abwärme wird zudem auch deshalb für wichtig erachtet, weil zukünftig mit einer deutlichen Steigerung des Kühlbedarfes gerechnet wird.
Besonders gut ist ihr Einsatz dort geeignet, wo verschiedene Arten von Bebauung (Wohngebäude, Gewerbe, Supermärkte etc.) existieren und somit sowohl Wärme und Kälte nachgefragt wird, wodurch ein Energieausgleich über kurze oder lange Zeiträume ermöglicht wird. Alternativ ermöglichen saisonale Wärmespeicher einen Ausgleich von Energieeinspeisung und -nachfrage. Durch die Nutzung verschiedener (Ab)-Wärmequellen und die Kombination von Wärmequellen und Wärmesenken können zudem Synergien geschaffen werden und die Wärmeversorgung in Richtung einer Kreislaufwirtschaft weiterentwickelt werden. Zudem ermöglicht die niedrige Betriebstemperatur der Kaltwärmenetze sonst kaum nutzbare Niedertemperaturabwärme unkompliziert in das Netz einzuspeisen. Gleichzeitig verringert die niedrige Betriebstemperatur die Wärmeverluste des Wärmenetzes deutlich, was insbesondere im Sommer, wo nur eine geringe Wärmenachfrage herrscht, die Energieverluste begrenzt.
Die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpen ist gerade verglichen mit Luft-Wärmepumpen relativ hoch. Eine Untersuchung von 40 bis zum Jahr 2018 in Betrieb genommenen Anlagen ergab, dass die Wärmepumpen bei einem Großteil der untersuchten Systeme eine Jahresarbeitszahl von mindestens 4 erreichten; die höchsten Werte lagen bei 6.
Technologisch gehören Kalte Wärmenetze zum Konzept der intelligenten Wärmenetze. Sie folgen dem allgemeinen Trend, die Übertragungstemperaturen von Wärmenetzen immer weiter abzusenken.
Komponenten Wärmequellen mini|Kalte Wärmenetze eignen sich hervorragend für die Nutzung von Abwärme aus Industrie und Gewerbe mini|Eines der ersten kalten Nahwärmenetze nutzt Sickerwasser aus dem Furka-Basistunnel als Wärmequelle Als Energielieferant für das Kaltwärmenetz kommen diverse Wärmequellen in Frage, insbesondere erneuerbare Quellen wie das Erdreich, Gewässer, gewerbliche und industrielle Abwärme, Solarthermie und Umgebungsluft, die einzeln oder in Kombination genutzt werden können. Aufgrund des generell modularen Aufbaus kalter Nahwärmenetze können bei weiterem Ausbau des Netzes nach und nach neue Wärmequellen erschlossen werden, sodass größere Wärmenetze über eine Vielzahl unterschiedlicher Quellen gespeist werden können.
In der Praxis nahezu unerschöpfliche Quellen sind z. B. Meerwasser, Flüsse, Seen oder Grundwasser. Von den mit Stand Januar 2018 40 in Europa in Betrieb befindlichen Kaltwärmenetzen nutzten 17 Gewässer bzw. Grundwasser als Wärmequelle. Zweitwichtigste Wärmequelle war die Erdwärme. Diese wird zumeist über geothermische Bohrungen mittels senkrechter Erdwärmesonden erschlossen. Möglich ist aber auch die Nutzung von Flächenkollektoren wie z. B. Agrothermiekollektoren. Hierbei werden auf landwirtschaftlicher Nutzfläche, etwa in 1,5 bis 2 m Tiefe und damit unterhalb der Arbeitstiefe landwirtschaftlicher Geräte, waagrechte Kollektoren eingepflügt, die dem Boden bei Bedarf Wärme entziehen können. Dieses Konzept, das die weitere landwirtschaftliche Nutzung erlaubt, wurde beispielsweise in einem Kaltwärmenetz in Wüstenrot realisiert.
Zudem existieren Kaltwärmenetze, die geothermische Energie aus Tunneln sowie aufgegebenen Kohleminen gewinnen. Ebenfalls genutzt werden kann Abwärme aus Industrie- und Gewerbebetrieben. Beispielsweise nutzen zwei Kaltwärmenetze in Aurich und Herford die Abwärme von Molkereien und eine weitere Anlage in der Schweiz Abwärme aus einem Biomassekraftwerk, während ein weiteres Kaltwärmenetz auf Abwärme aus einem Textilbetrieb zurückgriff. Niedertemperatur-Industrieabwärme stellt eine bedeutende Wärmequelle dar: In urbanen Räumen kann das zur Verfügung stehende Abwärmepotential im Bereich von 50 und 120 % des gesamten Wärmebedarfs liegen. So befinden sich beispielsweise Rechenzentren, die weltweit am schnellsten wachsenden Energieverbraucher, deren Stromverbrauch in Deutschland sich im Jahr 2018 auf 14 Terawattstunden summierte, meist in großen Städten, da dort der Rechenbedarf lokalisiert ist. Da die Abwärmetemperatur bei üblichen luftgekühlten Rechenzentren knapp 30 °C beträgt, ist hier die Einspeisung in kalte Nahwärmenetze besonders sinnvoll.
Weitere mögliche Wärmequellen sind u. a. Solarthermie (insbesondere zur Regeneration geothermischer Quellen und Beladung von Speichern), Großwärmepumpen, die Umweltwärme nutzen, die Kanalisation, Blockheizkraftwerke und biogen oder fossil befeuerte Spitzenlastkessel zur Unterstützung anderer Wärmequellen. Die niedrigen Betriebstemperaturen von Kaltwärmenetzen begünstigen dabei besonders Solarthermieanlagen, BHKWs und die Abwärmenutzung, da diese unter diesen Bedingungen mit maximaler Effizienz arbeiten können. Zugleich ermöglichen Kaltwärmenetze Industrie- und Gewerbeunternehmen mit Abwärmepotential wie beispielsweise Supermärkten, Rechenzentren usw. die unkomplizierte Einspeisung von thermischer Energie ohne großes finanzielles Investitionsrisiko, da auf dem Temperaturniveau von Kaltwärmenetzen eine direkte Wärmeeinspeisung ohne Wärmepumpe möglich ist.
Eine weitere Wärmequelle kann auch die Rücklaufleitung konventioneller Fernwärmenetze sein. Sofern die Betriebstemperatur des Kaltwärmenetzes niedriger ist als die Bodentemperatur kann auch das Netz selbst Wärme aus dem umliegenden Boden aufnehmen. In diesem Fall wirkt dann das Netz wie eine Art Erdwärmekollektor.
(Saisonale) Wärmespeicher mini|Funktionsweise eines Erdwärmekollektors. Diese Kollektoren können ebenfalls zur saisonalen Speicherung dienen