Wo nehmen wir die Wärmeenergie her? 

Energieträger oder -Quellen

1. Sonne
Die Energie der Sonnenstrahlen kann sowohl direkt thermisch genutzt werden oder umgewandelt in elektrische Energie andere Wärmeerzeuger versorgen. 

2. Erneuerbarer Strom
Erneuerbarer Strom aus Wind, Sonne, Biomasse, Wasserkraft kann Wärmepumpen oder Elektrolyseure antreiben.

3. Grüner Wasserstoff
Per Elektrolyse wird mit Hilfe von erneuerbarem Strom aus Wasser (H₂O) Wasserstoff (H₂) erzeugt, welcher direkt genutzt oder in ein brennbares Gas (EE-Methan) umgewandelt werden kann. 

4. Feste Biomasse
Holz aus nachhaltiger Forstwirtschaft, Holzreste oder Sägemehl wird direkt zum Heizen verwendet oder in Biomasseheizkraftwerken zur Strom- und Wärmegewinnung genutzt.

5. Vergärbare Biomasse
Aus Reststoffen wie Gülle, Kompost, Mist oder aus eigens angebauten Energiepflanzen wie Mais,  Getreide oder Zuckerrübe kann Biogas und Biomethan durch Vergärung erzeugt werden. Alternativ kann die Biomasse auch direkt verbrannt oder pyrolysiert werden.

6. Umweltwärme
Wärmepumpen nutzen Wärme aus der Luft, 
dem Wasser oder dem Boden (Erdwärme) als Basis für die Wärmeerzeugung.

7. Abwärme
Bei vielen industriellen Prozessen fällt Abwärme als Nebenprodukt an. Die kann direkt vor Ort genutzt oder ins Wärmenetz eingespeist werden.

Wie wird die Wärmeenergie nutzbar gemacht?

Wärmewende-Technologien

1. Solarthermie / PVT
Solarthermie-Kollektoren absorbieren Sonnen-wärme und leiten sie über einen Flüssigkeitskreislauf an eine Wärmepumpe oder einen Wärmespeicher weiter. PVT-Kollektoren kombinieren Photovoltaik mit der thermischen Anwendung. 

2. Infrarot-Heizung
Hier wird elektrische Energie in Strahlungswärme umgewandelt. Diese erwärmt nicht wie üblich die Raumluft, sondern die Objekte, Gegenstände und Körper im Raum. 
 

3. Elektrolyseure
Mit Hilfe von erneuerbarem Strom wird Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Wird der Wasserstoff anschließend methanisiert und über die Gasnetze verteilt, kann er in üblichen Gas-Heizungen verbrannt werden. Der Energiebedarf ist allerdings erheblich!
 

4. Wärmepumpen
Sie entziehen der Außenluft, der Erde oder dem Grundwasser Wärme, und erhöhen die Temperatur mittels zugeführter elektrischer Energie durch Kompression, sodass sie im Heizkreislauf genutzt werden kann. 
 

5. Geothermie
Mittels Bohrungen in die Erde kann Erdwärme über einen Flüssigkeitskreislauf per Rohrleitungen nach oben befördert werden. Je nach Temperatur kann die Wärme direkt genutzt oder per Wärmepumpe erhöht werden. 

6. Biomasseheizwerk
Durch Verbrennung biogener Festbrennstoffe wird Wärme gewonnen. Kleinste Form dieser Wärmenutzung ist der Holz- oder Pelletofen. Größere Kraftwerke erzeugen Heißwasser und/oder Dampf für Wärmenetze. Wird gleichzeitig noch Strom erzeugt, handelt es sich auch um eine KWK-Anlage.

7. Biogasanlagen
Aus Biomasse wie Gülle, Kompost, Mist oder Energiepflanzen entsteht durch Vergärung Biogas, welches in Biomethan oder über Verbrennung direkt in Strom und Wärme umgewandelt werden kann.

8. Pyrolyse
Unter Ausschluss von Sauerstoff werden organische Reststoffe verkohlt (pyrolysiert). Dabei entsteht ein Pyrolysegas, welches zur Energiegewinnung genutzt wird sowie Abwärme, die ins Nahwärmenetz eingespeist werden kann.

9. Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) + Brennstoffzelle
KWK-Anlagen erzeugen gleichzeitig Strom und Wärme. In der Regel durch Verbrennung von festen, flüssigen oder gasförmigen Energieträgern. Durch die doppelte Ausnutzung haben sie höhere Wirkungsgrade. Zur direkten Gebäude- oder Quartiersversorgung werden (Mini)-Blockheizkraftwerke eingesetzt. Zur Versorgung größerer Areale und in der Industrie werden Großkraftwerke eingesetzt. Auch Brennstoffzellen werden bei der Stromerzeugung aus Wasserstoff warm. Sofern die Abwärme genutzt wird, können sie auch als KWK-Anlage bezeichnet werden.

Wie transportieren und verteilen wir die Wärme? 

Transportmöglichkeiten und -Wege.

1. Nah- und Fernwärmenetze
Bei Wärmenetzen werden die Gebäude über Rohrleitungen mit Wärme versorgt. Bei hochtemperierten Wärmenetzen sind die Rohrsysteme gedämmt und transportieren heißes Wasser oder Dampf. Im Gebäude ist dann nur noch eine Wärmeübergabestation. Bei niedrig tempererierten Netzen (sog. kalte Nahwärme) kommen zusätzlich Wärmepumpen zum Einsatz. Abhängig von der Entfernung der Wärmequellen spricht man von Nah- oder Fernwärme. Im Heizwerk kann die Wärme als Nebenprodukt anfallen, oder als Hauptprodukt erzeugt werden. Wie nachhaltig die aus Wärmenetzen bereitgestellte Wärme ist, hängt von den verwendeten Energieträgern des Heizwerks ab.

2. Wärme vor Ort erzeugen
Wenn ausreichend Platz für Solarthermie, Geothermie und/oder Wärmepumpen zur Verfügung steht, kann die Wärme auch dezentral im Gebäude oder Quartier erzeugt werden. Der Transport findet entsprechend innerhalb oder zwischen einzelnen Gebäuden statt. Nicht zu vergessen ist hier der Strombedarf, für den Leitungen zur Verfügung stehen müssen. Andere Energieträger wie feste Biomasse, Biomethan oder Wasserstoff müssen über das Straßen- oder Gasnetz geliefert werden. 

3. Gebäudenetze 
Ein Gebäude- oder Arealnetz ist ein kleines Wärmenetz, bei dem mehrere Gebäude über ein Rohrsystem gemeinsam versorgt werden. Zum Einsatz kommen meist Niedrigtemperatur-Wärmenetze, die die Wärme über einen zentralen Wärmeerzeuger (Wärmepumpe, Geothermie, PVT, Abwärme) zwischen den Gebäuden verteilen. 

Vergärbare Bioenergie, Biogasanlagen

Biomüll, Gülle, Kompost, Mist oder Energiepflanzen werden in Biogasanlagen unter Einsatz von Mikroorganismen vergärt, wobei ein Rohbiogas mit einem Methangehalt von 50-75 % entsteht. Nach einer Grundaufbereitung kann aus diesem in einer KWK-Anlage direkt Strom und Wärme erzeugt und ins Strom- und Nahwärmenetz eingespeist werden. Alternativ kann es aufwändiger zu Biomethan aufbereitet und ins Erdgasnetz eingespeist werden, wo es z.B. direkt in den haushaltsüblichen Gasthermen verbrannt werden kann. 

Vorteile und Nachteile 

In Deutschland gab es 2019 ca. 9000 Biogasanlagen, die 18 % des erneuerbaren Wärmesektors ausmachen. Das Konzept, aus Reststoffen wie Gülle, Kompost oder altem Stroh Energie zu gewinnen, ist durchaus attraktiv und wird durch Boni gefördert. Die gewonnene Energie kann vielseitig eingesetzt und sogar gespeichert werden, und Gasheizungen können ohne fossiles Erdgas weiterbetrieben werden.

Leider werden nur zu ca. 20 % Reststoffe in den Biogasanlagen verwendet – der weitaus größere Anteil der Energie wird aus eigens angebauten “Energiepflanzen” gewonnen: z.B. Mais, Getreide oder Gras. Das erzeugt Druck auf unsere verfügbaren Flächen, die zum Beispiel für die Nahrungs- oder Futtermittelproduktion gebraucht, aber auch zur Aufforstung genutzt werden könnten. In Bezug auf die Flächeneffizienz hat das Umweltbundesamt (UBA) berechnet, dass pro Hektar 40-mal mehr Strom (ca. 800 MWh/Jahr) durch PV-Anlagen erzeugt werden können, als über den Maisanbau für Biogasanlagen (ca. 20 MWh/Jahr). In Zukunft könnte dieses Problem bei einigen Fruchtarten ggf. durch Agri-PV-Anlagen gelöst werden. Dennoch sollte überlegt werden, ob die darunter angebauten Pflanzen nicht besser auf dem Teller, statt im Tank landen sollten und stattdessen nur Reststoffe für die Biogaserzeugung genutzt werden – auch wenn das Potenzial dann weitaus geringer ist.

Ein weiteres Problem stellt die Umweltbelastung für Grundwasser und Klima dar, welche durch die intensive Landwirtschaft des Energiepflanzenanbaus und die Nutzung der Biogasanlagen entsteht. In Biogasanlagen werden große Volumina wassergefährdender Stoffe wie Gülle, Substrate oder Gärreste verarbeitet. In der Vergangenheit kam es immer wieder zu Unfällen. Das Methan, welches bei der Vergärung entsteht, ist auf 100 Jahre gemessen 25 mal klimaschädlicher als CO₂. Laut UBA kommt es bei Biogasanlagen regelmäßig zu Methan-Lecks, sodass durchschnittlich 5% des Methans aus Biogasanlagen in die Atmosphäre entweicht. Biogasanlagen stellen daher für Umwelt und Klima ein Risikopotenzial dar. 

Gemäß GEG muss eine ab 2024 neu eingebaute Heizung mit mindestens 65 % Erneuerbaren Energieträgern betrieben werden. Für eine neue Gasheizung würde das mindestens 65  % Biomethan oder grünen Wasserstoff bedeuten. Die Wirtschaft kann diese Mengen aktuell überhaupt nicht liefern, ein massiver Ausbau wäre notwendig.