Flexibilitäten der Fernwärme: Beschreibung möglicher Flexibilitätspotenziale

Die zunehmende Dekarbonisierung der Fernwärme führt zu einer steigenden Sektorkopplung zwischen dem Strom- und Wärmesektor. Dadurch steigt auch der Einfluss des volatilen Strompreises auf die Wärmegestehungskosten in der Fernwärme, wodurch die wirtschaftlichen Vorteile eines flexiblen Fernwärmebetriebs steigen. Diese Beitragsreihe beschäftigt sich deshalb mit den verschiedenen Flexibilitäten in der Fernwärme und ihren jeweiligen Einschränkungen. Des Weiteren werden die beschriebenen Flexibilitäten mit den realen Hemmnissen der Fernwärmebranche durch Interviews kritisch beleuchtet. Diese Beitragsreihe richtet sich an Stadtwerke und Fernwärmeversorger, die einen Überblick über die Flexibilitätspotenziale in der Fernwärme erlangen wollen sowie an all diejenigen, die sich für die Fernwärmeversorgung interessieren.

Wärmesektor als schlafender Riese der Energiewende

Zur Erreichung der im Rahmen des Pariser Klimaabkommens festgelegten Ziele zur Begrenzung der Erderwärmung müssen die Treibhausgasemissionen in allen Bereichen gesenkt werden. Mit rund einem Drittel (32,3 %, Stand 2023) umfassen die Anwendungen Raumwärme und die Warmwasserbereitstellung einen bedeutenden Anteil des Endenergieverbrauchs in Deutschland. Von diesem Drittel werden aber nur rund 17,7 % aus erneuerbaren Energien gewonnen.[1]
Im Bereich Wärme hinkt die Transformation der Energieversorgung den gesetzten Zielen deutlich hinterher und wird daher als der „schlafende Riese“ der Energietransformation bezeichnet. Eine rasche Umstellung auf neue, klimafreundliche Technologien und die Reduktion des Endenergieverbrauchs sind notwendig, um diesen entscheidenden Hebel für die Reduktion der Treibhausgasemissionen zu nutzen.

Bei der Umsetzung der Wärmewende wird den Fern- und Nahwärmenetzen ein großes Potenzial zugeschrieben, da sie Wärme aus erneuerbaren Energien und Abwärme effizient bereitstellen können. Im Jahr 2020 basierte die Wärmebereitstellung in deutschen Wärmenetzen zu 69 % auf der Verbrennung fossiler Brennstoffe; ein Wert, der für eine treibhausgasneutrale Wärmeversorgung stark reduziert werden muss.[2]

Vorteile der Fernwärme bei der Wärmeversorgung

Vor allem in dicht bebauten Gebieten können Fernwärmenetze ihre Vorteile gegenüber dezentralen Wärmeversorgern ausspielen. Durch die hohen Wärmeliniendichten (die benötigte Wärmemenge pro Meter Wärmenetz) in Städten sinkt das Verhältnis zwischen den Wärmeverlusten beim Wärmetransport und der gelieferten Wärmemenge. Dadurch sinkt der Anteil der Verluste pro kWh verbrauchter Wärmemenge – ein entscheidender Faktor für die Wirtschaftlichkeit von Wärmenetzen. Zudem haben dezentrale Wärmeerzeuger in Städten oft das Problem, dass sie einen viel höheren Flächenbedarf haben als zentrale Lösungen, wodurch bereits im Vergleich zu fossilen Heizungen ein Vorteil bei den Wärmenetzen herrscht. Bei einer Dekarbonisierung der Wärmeversorgung wäre die dezentrale Alternative zu Wärmenetzen in den häufigsten Fällen eine Wärmepumpe oder ein Biomassekessel. Wärmepumpen müssen im Fall von Luft/Wasser-Wärmepumpen aufgrund der Schall-Emissionen der Außenanlage eine bestimmte Distanz zu Nachbargrundstücken einhalten, wodurch die Installation in dicht bebauten Gebieten nicht immer möglich ist. Werden für die Wärmequelle Grundwasser oder oberflächennahe Geothermie genutzt, muss ebenfalls genügend Fläche für Bohrungen vorhanden sein. Wärmenetze können demgegenüber regionale Quellen effizienter ausnutzen und haben eine größere Auswahl an potenziellen Wärmequellen, da sie bei der Auswahl nicht auf ein Grundstück beschränkt sind. Zudem sind verschiedene Wärmequellen wie zum Beispiel Tiefengeothermie erst ab einem gewissen Wärmebedarf wirtschaftlich sinnvoll nutzbar.

Für die Dekarbonisierung müssen jedoch auch in der Fernwärme erst neue Wärmequellen erschlossen werden. Viele erneuerbare Wärmequellen können aufgrund ihres Temperaturniveaus nicht direkt in ein Wärmenetz einspeisen und benötigen deswegen zusätzliche Anlagen zur Temperaturanhebung. Dafür können Großwärmepumpen eingesetzt werden, die eine effiziente und, bei Bezug von erneuerbarem Strom, treibhausgasneutrale Möglichkeit zur Temperaturanhebung darstellen. Durch den Einsatz von Großwärmepumpen wird künftig der Anteil von sogenannten Power-to-Heat-Anlagen (PtH-Anlagen) – die den Sektor Strom mit dem Wärmesektor verkoppeln – in der Fernwärme steigen. Neben den Wärmepumpen als Sektorkopplungstechnologie gehören auch die bereits heute vorrangig eingesetzten Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK-Anlagen) und elektrische Kessel.

Chancen der Sektorenkopplung

Ein zunehmender Einsatz von Sektorenkopplungstechnologien in der Fern- und Nahwärmeversorgung bedeutet zwar neue Verbraucher für das Stromsystem, bietet jedoch auch neue Chancen für den Strom- als auch für den Wärmesektor.

Ausgleich von Stromspitzen und -flauten

Ähnlich wie Stromspeicher können Wärmenetze durch ihre stromgebundenen Wärmeerzeuger auf Änderungen beim Strompreis reagieren und so bei Stromspitzen die Überproduktion an Strom aufnehmen und bei Stromflauten ihren Strombezug senken bzw. durch KWK-Anlagen selbst ihre Stromproduktion erhöhen. In größeren Wärmenetzen mit mehreren verschiedenen Wärmeerzeugertypen, stromproduzierenden und stromverbrauchenden Anlagen, kann bereits ohne zeitliche Entkopplung der Wärmeproduktion vom Wärmebedarf von einer Anpassung der Stromproduktion an Stromspitzen und -flauten profitiert werden. Wärmenetze bieten mit einer installierten Leistung von ca. 50 GW somit bereits heute ein großes Potenzial, um auf die volatile Stromproduktion reagieren zu können.[3]

Geringere Wärmegestehungskosten durch Nutzung von Flexibilitäten durch die Sektorenkopplung

Durch die zunehmende Elektrifizierung der Wärmeerzeugung im Rahmen der Dekarbonisierung der Wärmenetze steigt der Anteil der Strombezugskosten an den Wärmegestehungskosten. Die im Vergleich zum Gas- oder Biomassepreis deutlich volatileren Strompreise machen es deswegen umso wichtiger, die Wärmeerzeugung durch die unterschiedlichen Wärmeerzeuger an den Strompreis anzupassen. Aus zuvor wärmebedarfsgeführten Anlagen werden zunehmend strompreisgeführte Anlagen. Dies impliziert, dass entweder der Wärmebedarf ebenfalls an den Strompreis angepasst wird, allgemein als „Demand Side Management“ bekannt, oder dass die Wärmeproduktion zeitlich vom Wärmebedarf entkoppelt wird. Für einen wirtschaftlichen Betrieb von Wärmenetzen ist es somit von großer Bedeutung, bestehende Potenziale zur Flexibilisierung in der Fernwärmeversorgung zu heben.

Flexibilitäten in der Fernwärme

Hinsichtlich möglicher Flexibilitäten kann das gesamte Fernwärmesystem in vier Bereiche unterteilt werden: Erzeuger, Speicher, Wärmenetz und Verbraucher. Nicht jeder dieser Bereiche bietet das gleiche Flexibilitätspotenzial und jeder Bereich hat unterschiedliche Einschränkungen bei der Flexibilitätsnutzung, weshalb sich eine differenzierte Betrachtung der Bereiche lohnt.

Wärmeerzeuger

Für die Betrachtung der Sektorenkopplung zwischen Strom- und Wärmesektor gibt es drei Kategorien, in die man die Wärmeerzeuger aufteilen kann: stromproduzierende, stromverbrauchende und stromunabhängige Wärmeerzeuger. Die stromproduzierenden Wärmeerzeuger werden auch noch als KWK-Anlagen bezeichnet und umfassen u. a. Blockheizkraftwerke und Gasturbinen mit Wärmeauskopplung. Unter stromverbrauchenden Anlagen, auch als PtH-Anlagen bezeichnet, fallen elektrische Wärmepumpen in allen Ausführungen sowie elektrische Kessel. Alle sonstigen Anlagen, die keine Verbindung zum Stromnetz, ausgenommen für den Betriebsstrom, haben, werden als stromunabhängige Anlagen bezeichnet und umfassen hauptsächlich mit Gas, Erdöl oder Biomasse betriebene Kessel.

Stromverbrauchende Anlagen

Wärmepumpe

Die heutzutage üblichen Wärmepumpen ermöglichen durch eine mechanische Druckerhöhung des Wärmeträgermediums (Kältemittel) eine Wärmeaufnahme bei einer niedrigen Temperatur und einem niedrigen Druck sowie eine Wärmeabgabe bei einer hohen Temperatur und bei hohem Druck. Durch diesen thermodynamischen Prozess ist es möglich, aus bisher ungenutzter Wärmeenergie auf niedrigem Temperaturniveau mit vergleichsweise geringem Energieaufwand Wärme auf einem nutzbaren Temperaturniveau abzugeben. Die mechanische Energie wird hierbei in den meisten Fällen durch elektrische Verdichter bereitgestellt, wodurch eine Verbindung zum Stromsektor entsteht. Schließt man bei der Effizienzberechnung die frei verfügbare Umwelt- oder Abwärme der Wärmequelle aus, wird von den meisten Großwärmepumpen eine Leistungszahl, auch engl. Coefficient of Performance (COP) genannt, von deutlich über 3 erreicht. Dies entspricht einer Wärmebereitstellung von drei kWh auf dem gewünschten Temperaturniveau bei einem elektrischen Energiebedarf von einer kWh. Diesem hohen COP und den daraus folgenden vergleichsweise geringen Betriebskosten stehen hohe Investitionen aufgrund der komplexen Anlagentechnik gegenüber. Des Weiteren ist die Lebensdauer von Wärmepumpen stark von der Anzahl der Start- und Abschaltvorgänge abhängig, so dass die Anzahl an Abschaltungen der Wärmepumpe möglichst gering gehalten werden soll. Dies führt zusammen mit der minimalen Teillast der Wärmepumpe zu einer Einschränkung der Flexibilität.

Elektrischer Kessel

Elektrische Kessel sind gegenüber Wärmepumpen sehr simple Anlagen, die weiter in Elektro- und Elektrodenkessel unterteilt werden können. Elektrokessel erhitzen das Wärmeträgermedium über einen elektrischen Widerstand, ähnlich wie bei einem Wasserkocher. Demgegenüber werden bei einem Elektrodenkessel zwei Elektroden ins Wärmeträgermedium getaucht, die mit unterschiedlichen elektrischen Potenzialen beaufschlagt werden, wodurch ein elektrischer Strom durch das Wärmeträgermedium fließt und dieses dabei aufwärmt. Die simple Funktionsweise spiegelt sich in einer deutlich geringeren Investition sowie einem im Vergleich zur Wärmepumpe deutlich geringeren Wirkungsgrad wider. Elektrische Kessel sind somit vor allem gut geeignet für die Wärmeproduktion bei negativen Strompreisen sowie als Spitzenlastkessel. In vielen Fällen werden elektrische Kessel aufgrund ihrer schnellen Reaktionszeit als negative Regelreserve angeboten.

Industrielle Abwärme

Industrielle Abwärme aus mit elektrischer Energie betriebenen Prozessen stellt eine weitere Sektorenkopplung zwischen Strom- und Wärmesektor dar. Durch eine preisgetriebene Reduktion des Stromverbrauchs im industriellen Prozess, bzw. durch eine Unterbrechung des Prozesses, ergibt sich ebenfalls eine Reduktion der bereitgestellten Abwärme für das Wärmenetz. Die Reduktion der Abwärmebereitstellung kann dazu führen, dass andere stromverbrauchende Anlagen, wie z. B. PtH-Anlagen, einspringen müssen, wodurch sich der Effekt der Lastreduktion für das Stromnetz wieder reduziert. Im besten Fall kann auf Wärme aus einer KWK-Anlage oder einen Wärmespeicher zurückgegriffen werden. Der Fernwärmeversorger hat, außer durch die Vertragsbedingungen, keinen Einfluss auf die Bereitstellung dieser Flexibilität. Deshalb wird diese Art der Flexibilität auch als indirekte Flexibilität bezeichnet.

Stromproduzierende Anlagen

KWK-Anlagen

KWK-Anlagen ermöglichen über Verbrennungsprozesse die gleichzeitige Produktion von Wärme und Strom, entweder über die Verbrennung in Kolbenmotoren oder über die Entspannung des Arbeitsfluides in Gas- und/oder Dampfturbinen. Im Gegensatz zu stromverbrauchenden Anlagen ist der Betrieb einer KWK-Anlage am wirtschaftlichsten, wenn der Strompreis hoch ist. Bei sehr niedrigen bzw. negativen Strompreisen ist die Wärmeproduktion der Anlage jedoch teurer als bei einem klassischen Heizkessel.

Stromunabhängige Anlagen

Heizkessel

Heizkessel besitzen, bis auf die Versorgung mit Betriebsstrom, keine Verbindung zum Stromsektor und ermöglichen deswegen, wenn keine anderen Erzeuger im Netz vorhanden sind, keine wirtschaftlich sinnvolle Flexibilisierung. Heizkessel können für verschiedene Brennstoffe wie z. B. Erdgas, Heizöl oder Biomasse ausgelegt werden. In Kombination mit stromverbrauchenden und stromproduzierenden Anlagen können die Anlagen durch den Wechsel der betriebenen Wärmeanlage jedoch eine Flexibilisierung ermöglichen.

Wärmenetz

Das Wärmenetz stellt die Verbindung zwischen den Wärmeerzeugern und den Verbrauchern dar und besteht aus einem mit aufbereitetem Wasser gefüllten Rohrnetz. Das Wasser dient dabei als Wärmeträgermedium für den Transport der Wärme zwischen den Erzeugern und den Verbrauchern. Dabei ist in Abhängigkeit von den Temperaturen und der Größe des Wärmenetzes immer Wärmeenergie im Netz gespeichert. Das Wärmenetz kann dadurch ebenfalls für die Speicherung von Wärme genutzt werden. In der Studie District Heat Network as a short-term energy storage von Kouhia et al. konnte durch die kostenoptimierte Variation der Vorlauftemperatur in einem Wärmenetz eine Reduktion der Wärmegestehungskosten um ca. 2 % erzielt werden – ohne zusätzliche Investitionen in neue Anlagen.[4] Eine Erhöhung der Wärmenetztemperaturen geht jedoch immer mit erhöhten Wärmeverlusten einher und vor allem Wärmepumpen weisen bei höheren Vorlauftemperaturen einen niedrigeren COP auf. Der tatsächliche Nutzen einer kostenoptimierten Variation der Wärmenetztemperaturen ist deswegen stark vom Erzeugerpark und dem Rohrnetz abhängig. Im Vergleich zum Betrieb von Wärmespeichern ist der Einfluss variabler Netztemperaturen auf den Netz- und Erzeugerbetrieb deutlich größer.

Wärmeverbraucher

Die Verbraucher können durch eine Verschiebung ihres Wärmebedarfs (Demand Side Management) auf Basis externer Anreize zu einer Flexibilisierung der Fernwärmeversorgung beitragen. Die Nutzung von Flexibilitäten auf der Verbrauchsseite hat gegenüber den anderen Flexibilisierungsmöglichkeiten den weiteren Vorteil, dass hierdurch Lastspitzen im Wärmenetz reduziert werden können. Engpässe in stark genutzten Abschnitten des Rohrnetzes werden dadurch abgeschwächt, wodurch sich neue Anschlussmöglichkeiten in diesen Abschnitten ergeben können. Zudem kann der Energiebedarf der Netzpumpen reduziert werden. Nach §5 AVBFernwärmeV ist es jedoch dem Fernwärmeversorger nicht erlaubt, eigenmächtig die Wärmebereitstellung eines Verbrauchers aus ökonomischen Gründen zu reduzieren. Die Reduktion muss somit immer vom Verbraucher selbst ausgehen. Damit ein Verbraucher seinen Wärmebezug an die Bedürfnisse des Fernwärmeversorgers anpasst, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein – erstens muss ein Anreiz, meist finanzieller Natur, für die Reduktion des Wärmebezugs bestehen und zweitens muss das Potenzial beim Verbraucher vorhanden sein, ohne große Produktion- oder Komforteinbußen seinen Wärmebedarf zu reduzieren, z. B. durch dezentrale Wärmespeicher oder die Gebäudemasse.

Zurzeit fehlen die finanziellen Anreize für eine Anpassung des Wärmebezugs aus Fernwärmenetzen in den meisten europäischen Ländern.

Das Potenzial zur Reduktion des Wärmebedarfs ist stark von den lokalen Gegebenheiten abhängig. So können dezentrale Speicher bei den einzelnen Verbrauchern eine Reduktion des Wärmebezugs ohne Komforteinbußen beim Verbraucher ermöglichen. Eine weitere Möglichkeit ist die Ausnutzung der thermischen Masse der versorgten Gebäude. Dabei fungiert die aufgeheizte Gebäudemasse (Wände, Böden, Dach) als Wärmespeicher, der über kurze Zeiträume der Abkühlung der Innenräume entgegenwirkt. Großer Vorteil dieser Methodik besteht darin, dass sie ohne zusätzliche Investitionen in Speicher auskommt.

Die Anwendung des Demand-Side-Managements bei der Versorgung von Industriebetrieben mit Prozesswärme ist fragwürdig. Außer bei Vorhandensein eines entsprechenden dezentralen Wärmespeichers erfolgt ein direkter Eingriff in den Industrieprozess. Dies kann einerseits zu einer Reduzierung der Produktqualität und andererseits zu Produktionsausfällen führen. Den Vorteilen des Demand Side Managements stehen hierbei direkte wirtschaftliche Kosten gegenüber, die für jeden industriellen Prozess und jede Industrie individuell ausgewertet werden müssen.

Wärmespeicher

Der Hauptzweck der Installation von Wärmespeichern in Wärmenetzen dient der zeitlichen Entkopplung von Wärmeerzeugung vom Wärmeverbrauch. Wärmespeicher ermöglichen dadurch eine stärkere Nutzung von Flexibilitäten in der Wärmebereitstellung, als dies durch den wechselnden Betrieb der Erzeugungsanlagen möglich wäre. Wärmespeicher sind zudem in der Umsetzung deutlich unkomplizierter als eine Lastanpassung bei den Verbrauchern. Neben dem Vorteil einer besseren Ausnutzung der Strompreise tragen Wärmespeicher auch zur Druckhaltung im Wärmenetz bei und können Lastspitzen abfangen, durch die gegebenenfalls unwirtschaftlichere Spitzenlastkraftwerke betrieben werden müssten. Wärmespeicher können auf Basis des Speichermediums, der Speicherdauer und des Drucks in unterschiedliche Kategorien unterteilt werden. Eine nähere Betrachtung der unterschiedlichen Wärmespeicher findet in dem nächsten Beitrag der Webseitenreihe statt.

Weitere Informationen

• WARAN – Wärme anbinden und netzdienlich nutzen
• Einheitliche Digitalisierung im Strom- und Wärmesektor – Use Cases aus dem Projekt WARAN

Literatur

[1] Energieverbrauch für fossile und erneuerbare Wärme. In https://www.umweltbundesamt.de/daten/energie/energieverbrauch-fuer-fossile-erneuerbare-waerme. (abgerufen am 25.11.2025); Dessau-Roßlau: Umweltbundesamt, 2025.

[2] AGFW (2023): AGFW-Hauptbericht 2023, https://www.agfw.de/zahlen-und-statistiken/agfw-hauptbericht/ (abgerufen am 25.11.2025)

[3] Agora Energiewende, Prognos, GEF (2024): Wärmenetze – klimaneutral, wirtschaftlich und bezahlbar. Wie kann ein zukunftssicherer Business Case aussehen?, https://www.agora-energiewende.de/fileadmin/Projekte/2023/2023-18_DE_Business_Case_Waermenetze/A-EW_335_Businesscase_Waermenetze_WEB.pdf (abgerufen am 25.11.2025)

[4] Kouhia, M.; Laukkanen, T.; Holmberg, H.; Ahtila, P. (2019): District heat network as a short-term energy storage, Energy, Vol. 177, S. 293–303, https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.04.082 (abgerufen am 25.11.2025)