Bewertung der Möglichkeiten der Energieerzeugung für das Augsburger Fernwärmenetz

Ökogas bzw. zertifiziertes Gas ist in der Regel konventionell gefördertes Gas (z. B. über Fracking oder als Nebenprodukt der Erdölförderung). Die entstehenden Emissionen sollen durch die Förderung von Klimaschutzprojekten kompensiert werden. Das Ziel dabei ist Projekte in der Welt zu finanzieren, die zu einer Verringerung der CO2-Produktion führen. Es gibt z. B. Gasanbieter, die einen Betrag der Einnahmen für das Gas verwenden, um in Ghana ineffiziente Feuerstellen durch effizientere Kochöfen zu ersetzen. Durch die effizientere Verbrennung wird pro Kochgang weniger CO2 verbraucht und es müssen weniger Bäume gefällt werden. Häufig werden auch Aufforstungsprojekte finanziert oder es werden direkt Emissionszertifikate gekauft. Das Problem mit all diesen Maßnahmen ist, dass es reine Rechenmodelle sind. In der Praxis wird immer noch fossiles Erdgas verbrannt. Die ökologische Wirkung der Klimaschutzprojekte lässt sich selten genau quantifizieren und beruht in der Regel auf Schätzungen. Auch die Wiederaufforstung muss kritisch hinterfragt werden: Wieso ist die Aufforstung überhaupt nötig? Muss der Mensch überhaupt eingreifen, damit ein Wald wächst? Wie wird sichergestellt, dass das CO2 das in den Bäumen enthalten ist nie wieder in die Atmosphäre gelangt? Bei genauerer Untersuchung kommen bei den meisten Klimaschutzprojekten schnell diese Fragen auf. Die Verbraucherzentrale kritisiert dabei insbesondere, dass es fraglich ist, ob eine Kompensation bei dauerhaften Emissionen wie Heizen überhaupt möglich ist.  

Aufgrund der oben genannten Punkte kommt man zum Fazit, dass Erdgas mit Emissionszertifikaten keine Lösung darstellt, um in Augsburg ein Fernwärmenetz zu betreiben. Die Umstellung auf Ökogas mit kompensierten CO2-Emissionen ist zwar eine schnelle und günstige Lösung, letztendlich ist sie aber nur ein Ablasshandel mit sehr begrenztem Nutzen.

Großwärmepumpen funktionieren ähnlich wie kleine Wärmepumpen. Das Funktionsprinzip ähnelt dem eines Kühlschranks (nur genau anders herum: es wird geheizt statt gekühlt). Der Kern ist dabei, dass eine relativ schwache Wärmequelle (z.B. Erdwärme, der enthaltenen Wärme aus Gewässern oder auch der Luft) genutzt wird, um eine Flüssigkeit zu verdampfen, sodass die Flüssigkeit als Gas vorliegt. Dieses Gas wird dann verdichtet, wodurch sich die Temperatur des Gases stark erhöht. Das heiße Gas gibt seine Wärme über einen Wärmetauscher dann an das Fernwärmenetz ab. Das abgefühlte Gas wird dann entspannt und kann dann erneut die relativ schwache Wärmequelle nutzen. Der Vorteil des Systems liegt darin, dass man für eine kWh Strom mehrere kWh Wärme erzeugen kann. Typischerweise kann aus 1 kWh Strom bis zu 4 kWh Wärme erzeugt werden. Für Augsburg ist für dieses Konzept dabei zu untersuchen, was als schwache Wärmequelle genutzt werden kann. Prüfenswert ist hier bisher ungenutzte Industrieabwärme, wo die Nutzung der Abwärme für andere Prozesse nicht in Frage kommt. Erdwärme ist ebenfalls zu untersuchen. Aufgrund der geographischen Situation der zwei großen Flüsse Lech und Wertach ist es technisch möglich, diese Gewässer als Quelle zu nutzen. Sollten sich diese Optionen alle als ungeeignet herausstellen, bleibt immer noch Luft als letzte Option. Aus dieser kann aber am wenigsten Wärme gezogen werden, weshalb die anderen Maßnahmen zu priorisieren sind. Großwärmepumpen sind besonders deshalb gut geeignet, weil sie vergleichsweise flächeneffizient sind. Außerdem sind sie perspektivisch in der Lage, die großen Erdgaskraftwerke in Augsburg zu ersetzen, da Anlagen mit hoher Wärmeleistung realisierbar sind.

Eine Möglichkeit, fossiles Gas für die Gaskraftwerke des Fernwärmenetzes zu ersetzen, ist es, die Anlagen aus Biogasanlagen zu betreiben. Dieses Konzept ist nicht neu und wird schon seit Jahrzehnten genutzt. Im besten Fall werden Reststoffe (z. B. Abfallstoffe aus der Forstwirtschaft und Landwirtschaft) vergärt, um daraus ein Biogas herzustellen. Dieses Biogas kann dann entweder direkt in Blockheizkraftwerken verbrannt und die Wärme ins Fernwärmenetz eingeleitet werden, oder es findet eine Aufbereitung zu Methan statt, um dieses dann in konventionellen Gaskraftwerken zu verfeuern und in das dortige Fernwärmenetz einzuspeisen. 

Die Beurteilung der Klimafreundlichkeit von Biogas hängt dabei im Wesentlichen von den Rohstoffen ab, die in der Biogas-Anlage verbrannt werden. Heutzutage werden neben Reststoffen auch im großen Stil Ackerfrüchte wie Mais vergärt. Dies ist aus mehreren Gründen kritisch: Erstens ist für den Anbau von Feldfrüchten Dünger nötig, der in der Regel mit Hilfe fossiler Energien produziert wird. Des weiteren entstehen in der Landwirtschaft durch die Bodennutzung Treibhausgase wie Lachgas, welche sehr klimaschädigend wirken. Außerdem besteht eine starke Flächenkonkurrenz mit Nahrungsprodukten. Wird Biogas-Mais angebaut, muss für die Produktion von Nahrung auf andere Flächen ausgewichen werden. Da die nötige Menge an Nahrung sich nicht ändert, führt das global dazu, dass neue Flächen gerodet werden müssen. Dies geht dann häufig zu Lasten ökologischer Schutzräume wie z. B. dem Amazonas. 

Das Problem bei Biogas ist, dass die Vergärung mit Reststoffen ihr Potential eigentlich schon ausnutzt. Um Biogasanlagen in Augsburg ökologisch sinnvoll einzusetzen, müssten Reststoffquellen gefunden werden, die bislang ungenutzt sind. Dies dürfte mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden sein.

Geothermie ist eine Technologie zur Nutzung der Erdwärme in Tiefen >400m. Im Wesentlichen wird der Effekt ausgenutzt, dass sich die Erdtemperatur mit zunehmender Tiefe um ca. 3°C/100m erhöht. Es wird eine Sole in den Boden eingeleitet, die sich aufgrund der dortigen Temperaturen erhitzt und warm an die Oberfläche zurückgeholt wird. Die Wärme kann dann in das Fernwärmenetz abgegeben werden. Aus ökologischer Sicht sind Tiefengeothermieanlagen klar positiv zu bewerten, da deren Prinzip nicht auf der Nutzung fossiler Energien basiert und der Flächenverbrauch pro kWh sehr niedrig ist. Allerdings ist es schwierig, neue Anlagen zu bauen, weil die Suche geeigneter Flächen nicht immer erfolgreich verläuft. Insbesondere für Augsburg sind die Geologischen Voraussetzungen nicht günstig, da wirtschaftlich erschließbare Tiefen nicht ausreichend warm sind. Es ist zu prüfen, ob ein Absenken der Vorlauftemperatur der Fernwärme möglich ist oder ob es möglich ist die Geothermie mit anderen Prozessen zu koppeln (z. B. Vorwärmen der Sole mit Geothermie auf 55-60°C und dann weiter Hochheizen des Systems durch z. B. Prozesswärme aus der Müllverbrennungsanlage Augsburg oder anderer industrieller Abwärme bis zur nötigen Vorlauftemperatur des Fernwärmenetzes)

Solarthermieanlagen können genutzt werden, um die Wärme der Sonne zu „ernten“ und in das Fernwärmenetz einzuspeisen. Solarthermieanlagen für Fernwärmeanlagen sind dabei in der Regel als freistehende Anlagen auf dem Feld zu dimensionieren. Vorteilhaft an dem System ist, dass die Umwandlung von Sonnenwärme in Wärme für das Fernwärmenetz direkt erfolgt, also entsprechend geringere Wirkungsgradverluste anfallen, als wenn man aus der Sonnenenergie Strom gewinnen würde. Das System kann dabei grundsätzlich ganzjährig genutzt werden. Im Winter bricht allerdings der Ertrag auf etwa 20-30 % der Nennleistung ein, da die solare Einstrahlung wesentlich geringer ist. Es gibt bereits existierende Anlagen. Die größte Anlage ist dabei in Silkebourg (50.000 Einwohner) in Dänemark. Hier wird die Solarthermie primär genutzt, um ganzjährig Warmwasser zur Verfügung zu stellen und Unterstützung zur Wärmeversorgung zu liefern. Im Sommer kann dadurch komplett auf fossile Wärmequellen verzichtet werden. Eine derartige Umsetzung ist für Augsburg ebenfalls zu prüfen. Für eine Versorgung im Winter besteht allerdings noch das Problem, dass ein Speicher gefunden werden muss, der die Wärme des Sommers bis in den Winter konserviert. 

Aquiferspeicher sind Speicher, die Wärmeenergie über einen längeren Zeitraum speichern können. Es handelt sich um Speicher im Boden in Tiefen von über 100 m, in welche eine warmes Wasser gepumpt wird. Durch die hohe Wärmekapazität der Böden ist es möglich, längerfristig warmes Wasser einzulagern, ohne dass dieses sich abkühlt. Die Idee ist dabei Aquiferspeicher mit Solarthermie zu kombinieren, sodass im Sommer Wärme eingespeichert wird und im Winter wieder freigesetzt wird, um die Wärme ins Fernwärmenetz zu leiten. In Skandinavien ist dieses Konzept bereits zur Serienreife gebracht worden. In Hamburg befindet sich derzeit eine Anlage für das Fernwärmenetz in Planung. Für Augsburg ist eine Kombination aus Solarspeicher und Aquiferspeicher prüfenswert, um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und Energieimporten allgemein zu reduzieren.

Neben der Verwendung von grünem Wasserstoff besteht die Möglichkeit, fossiles Erdgas durch grünes Erdgas, welches mit Erneuerbaren Energien hergestellt wurde, zu substituieren. Der Prozess besteht in der Regel aus zwei Teilelementen: Zunächst wird über z. B. ein Elektrolyseprozess mit Hilfe von Wasser und Sauerstoff Wasserstoff hergestellt. Im zweiten Schritt wird durch Zugabe von CO2 über eine chemische Redoxreaktion Methan hergestellt, welches der Hauptbestandteil von Erdgas ist. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die bestehende Fernwärme-Infrastruktur ohne Änderung weiter genutzt werden kann, da das erneuerbare Methan ohne Einschränkung in Gaskraftwerken verwendet werden kann. Außerdem sind keine hohen Initialkapitalkosten für Umrüstungen oder Neubau von Anlagen des Fernwärmenetzes zu zahlen. Das Konzept hat allerdings mehrere Nachteile: Zunächst muss sichergestellt werden, dass für das Grüne Erdgas wirklich nur erneuerbare Energien eingesetzt werden. Wird für den Elektrolyseprozess fossiler Strom eingesetzt, ergibt sich kein ökologischer Vorteil. Des Weiteren ist der Wirkungsgrad des Gesamtprozesses mit ~30-40 % sehr gering und liegt deutlich unter der von Wasserstoff (35-45 %). Aus diesem Grund ist es nach heutigem Stand nicht zielführend, mit deutschem Ökostrom Methan zu produzieren, da die Kosten erheblich höher sind. Außerdem wird für den Prozess CO2 benötigt. Hier ist es auch entscheidend, wo das CO2 herkommt. Technisch günstig sind CO2-Quellen wie fossile Kraftwerke, da der Anteil an CO2 im Abgas sehr hoch ist. Diese werden perspektivisch allerdings aufgrund der fortschreitenden Energiewende wegfallen, sodass hier das erhebliche Risiko von Fehlinvestitionen besteht. Übrig bleiben somit nur CO2-Quellen aus erneuerbaren Quellen (z. B. Biogasanlagen, u. U. auch Müllverbrennungsanlagen oder Wasseraufbereitungsanlagen). Denkbar ist auch, das CO2 aus der Luft zu gewinnen. Dies ist aus heutiger Perspektive aber sehr teuer, sodass das aus heutiger Sicht mittelfristig keine Perspektive ist. 

Mittelfristig ist zu prüfen, ob Methan importiert werden kann. Dies setzt voraus, dass sich entsprechende Märkte in den nächsten Jahren entwickeln, was noch nicht 100 % abzusehen ist. Hier müsste auch eine Abstimmung mit der Bundespolitik erfolgen. Kurz- bis mittelfristig ist mit grünen Erdgas auf Basis erneuerbarer Energien nicht zu rechnen. Darüber hinaus ist aufgrund der Wirkungsgrade mit deutlich höheren Preisen zu rechnen. Erneuerbares Erdgas ist somit erst langfristig eine Option, um die letzten 20-30 % der Wärmewende zu stemmen. Für Augsburg bedeutet dies, dass erneuerbares Erdgas nur flankierend eingesetzt werden sollte, um z. B. Spitzen im Winter abzudecken. 

Der Neubau von Gasanlagen ist aufgrund der hohen Investitionskosten und gleichzeitiger Pfadentscheidung für fossile Brennstoffe klar abzulehnen. Es gibt allerdings auch Konzepte, die vorsehen, CO2 aus dem Abgas zu filtern und einzulagern (Carbon Capture and Storage). Bei dem Konzept handelt es sich um ein System zur Abgasnachbehandlung, wobei das CO2 über einen Waschvorgang herausgewaschen wird. Der Waschvorgang senkt dabei den Wirkungsgrad fossiler Kraftwerke allgemein um ca. 5 %. Problematisch an der Technologie ist, dass sie bisher nicht über Versuchsstadien herausgekommen ist, da die Abscheidungsquote des CO2 bei Großindustriellen Anlagen bislang nicht sonderlich hoch ist. Darüber hinaus ist es nicht ohne weiteres möglich, bestehende Anlagen umzurüsten. Die Integration von CCS muss bereits in der Anlagenplanung berücksichtigt werden, was für die Augsburger Anlagen vermutlich nicht der Fall ist. Neben den technischen Problemen der Abgasnachbehandlung ist auch noch zu klären, wie das abgeschiedene CO2 gelagert wird. Da das CO2 gasförmig vorliegt, besteht immer das Risiko, dass es aufgrund von Lecks zum unkontrollierten Austritt des Gases kommt. In hohen Konzentrationen wirkt dieses Gas tödlich, aufgrund seiner Eigenschaft, Sauerstoff zu verdrängen. Ob sichere Anlagen jemals möglich sind, lässt sich mit heutigem Wissensstand nicht klären. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass ein Restrisiko bleibt. Aus diesem Grund ist diese Technologie für Augsburg nicht geeignet.