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Die Treibhausgasminderungsziele der Bundesrepublik Deutschland sind im Bundes-Klimaschutzgesetz (Stand August 2024) verbindlich festgelegt. Dieses sieht eine Reduktion der Treibhausgasemissionen um mindestens 65 % bis zum Jahr 2030 sowie um mindestens 88 % bis zum Jahr 2040 gegenüber dem Referenzjahr 1990 vor. Spätestens im Jahr 2045 soll die Netto-Treibhausgasneutralität erreicht werden. Darüber hinaus ist nach dem Jahr 2050 das Erreichen negativer Treibhausgasemissionen vorgesehen.[1]“

Zur Erreichung dieser ambitionierten Klimaschutzziele ist eine grundlegende Transformation des bestehenden Energiesystems erforderlich. Diese Transformation, im Folgenden als Energiewende bezeichnet, umfasst den schrittweisen Ersatz fossiler Energieträger sowie der Kernenergie durch nachhaltige und erneuerbare Energiequellen. Die Energiewende gliedert sich dabei in drei zentrale Sektoren: die Stromwende, die Verkehrswende und die Wärmewende.

Zur Einordnung des potenziellen Beitrags von Wasserstoff innerhalb der Wärmewende ist zunächst eine Betrachtung des Status quo der Wärmeversorgung in Deutschland erforderlich. Der Wärmesektor stellt mit über 50 % den größten Anteil am gesamten Endenergieverbrauch dar. Die Bereitstellung von Wärme erfolgt überwiegend direkt in den Endverbrauchssektoren „Private Haushalte“, „Industrie“ sowie „Gewerbe, Handel und Dienstleistungen (GHD)“. Derzeit werden etwa 80 % des Wärmebedarfs durch fossile Energieträger gedeckt. Insbesondere Erdgas und Heizöl dominieren die Wärmeerzeugung, wobei diese Energieträger größtenteils importiert werden müssen und somit sowohl klimapolitische als auch energiepolitische Abhängigkeiten begründen.

Die Wärmeversorgung der privaten Haushalte in Deutschland ist weiterhin in hohem Maße von fossilen Energieträgern abhängig. Von den rund 41 Millionen Haushalten werden 48,2 % mit Erdgas und weitere 25,6 % mit Heizöl beheizt. Zusätzlich werden 13,9 % der Haushalte über Fernwärme versorgt, die derzeit ebenfalls überwiegend auf fossilen Energiequellen basiert. Infolgedessen leistet der Wärmesektor einen erheblichen Beitrag zu den nationalen CO₂-Emissionen.[2] [3]

Die Bedeutung des Wärmesektors für die Treibhausgasemissionen wird durch Daten des Statistischen Bundesamtes (Destatis) untermauert. Demnach beliefen sich die CO₂-Emissionen im Wärmesektor im Jahr 2010 auf rund 167 Millionen Tonnen. Bis zum Jahr 2021 konnte ein Rückgang um etwa 20 Millionen Tonnen auf insgesamt 147 Millionen Tonnen CO₂ verzeichnet werden. Diese Entwicklung ist maßgeblich auf die abnehmende Nutzung von Heizöl, den zunehmenden Einsatz erneuerbarer Energien sowie den verstärkten Einsatz emissionsärmerer Energieträger wie Erdgas und Fernwärme zurückzuführen.[4]

Parallel dazu ist der Anteil erneuerbarer Energien an der Wärmebereitstellung im Zeitraum von 1990 bis 2021 deutlich gestiegen, von 2,1 % auf 16,5 %. Den größten Beitrag zur erneuerbaren Wärmeversorgung leistet dabei Biomasse, insbesondere in Form von Holz und Holzprodukten, die mit einem Anteil von nahezu drei Vierteln den dominierenden erneuerbaren Energieträger darstellen. Weitere erneuerbare Wärmequellen wie Solarthermie, Geothermie und Umweltwärme trugen im Jahr 2021 zusammen 14,0 % zur Bereitstellung erneuerbarer Wärme bei. [5]

Gesetzliche Vorgaben / Ziele / Deadlines

Zur Beschleunigung der Transformation des Wärmesektors und zur Sicherstellung der Erreichung der nationalen Treibhausgasminderungsziele wurden auf gesetzgeberischer Ebene entsprechende Rahmenbedingungen geschaffen. In diesem Zusammenhang ist seit dem 1. Januar 2024 das Gesetz für die Wärmeplanung und zur Dekarbonisierung der Wärmenetze (Wärmeplanungsgesetz – WPG) in Kraft.[6]

Ziel des Wärmeplanungsgesetzes ist es, einen maßgeblichen Beitrag zur Umstellung der Erzeugung und Versorgung von Raumwärme, Warmwasser und Prozesswärme auf erneuerbare Energien, unvermeidbare Abwärme oder geeignete Kombinationen dieser Quellen zu leisten. Darüber hinaus verfolgt das Gesetz das Ziel, bis spätestens zum Jahr 2045 eine kosteneffiziente, nachhaltige, ressourcenschonende, bezahlbare, resiliente und treibhausgasneutrale Wärmeversorgung zu ermöglichen sowie zusätzliche Endenergieeinsparungen zu realisieren.[7]

Das Wärmeplanungsgesetz ist von den Ländern in jeweiliges Landesrecht zu überführen. In diesem Zusammenhang trat in Thüringen am 2. Juli 2024 das Thüringer Ausführungsgesetz zum Wärmeplanungsgesetz (ThürWPGAG) in Kraft, welches die rechtliche Grundlage für die Umsetzung der Wärmeplanung auf Landes- und kommunaler Ebene bildet.[8]

Zentrales Instrument der genannten Gesetzgebung ist die Kommunale Wärmeplanung. Der kommunale Wärmeplan fungiert als strategischer Fahrplan, der aufzeigt, wie die Wärmeversorgung in Städten und Gemeinden künftig organisiert und wie der Energieeinsatz effizient gestaltet werden kann. Ziel ist die schrittweise Umsetzung einer klimafreundlichen Wärmeversorgung. Im Rahmen der Planung werden unter anderem Gebiete definiert, in denen zukünftig Wärmenetze errichtet werden sollen, sowie Bereiche, in denen weiterhin individuelle Heizsysteme zum Einsatz kommen.

Der fertige Wärmeplan dient Bürgerinnen und Bürgern, der Wirtschaft sowie der Verwaltung als umfassende Informationsgrundlage über die Ergebnisse der kommunalen Wärmeplanung. In textlicher und kartografischer Form enthält er unter anderem eine grundstücks- und baublockbezogene Einteilung des Gemeindegebiets in potenzielle Wärmeversorgungsgebiete. Dies umfasst die Bewertung der Eignung von Gebieten für eine Wärmeversorgung über Nah- oder Fernwärmenetze, den Einsatz eines Gasnetzes (einschließlich der Nutzung von grünem Wasserstoff oder grünem Methan) oder die dezentrale Wärmeversorgung. Zusätzlich sind für die Zieljahre 2030, 2035, 2040 und 2045 verbindliche Angaben zu den geplanten Entwicklungen der Wärmeversorgung zu machen.[9]

Die Wärmeversorgung von Gebäuden stellt ein heterogenes Feld dar, das durch deutliche regionale und lokale Unterschiede geprägt ist. Vor diesem Hintergrund erfordern die Transformation der Wärmesysteme und die Erreichung einer klimaneutralen Wärmeversorgung angepasste, standortspezifische Lösungen. Dabei werden unterschiedliche CO₂-arme beziehungsweise CO₂-freie Energieträger in Abhängigkeit der jeweils verfügbaren Ressourcen sowie der geografischen und infrastrukturellen Gegebenheiten berücksichtigt. Zu diesen Technologien zählen unter anderem Fluss- und Tiefengeothermie, Luftwärmepumpen, Solarthermie, Biomasse, industrielle Abwärme sowie grüner Wasserstoff.

Die Rolle des (grünen) Wasserstoffs

Der Einsatz von Wasserstoff zur Wärmeerzeugung kann sowohl auf übergeordneter Ebene durch lokale Energieversorger als auch im kleinmaßstäblichen Bereich in privaten Haushalten erfolgen. Eine kurzfristig umsetzbare Option besteht in der Beimischung von Wasserstoff in bestehende Erdgasnetze, wobei Anteile von fünf bis zwanzig Prozent technisch realisierbar sind. Für den direkten Einsatz im Haushalt kann Wasserstoff in speziellen H₂-Heizkesseln verbrannt werden. Perspektivisch sind zudem viele moderne Gasthermen aktuell bereits in der Lage, Wasserstoffbeimischungen von bis zu etwa 20 % zu nutzen. Ein zentraler Vorteil dieser Technologie liegt darin, dass bestehende Gasinfrastrukturen zumindest teilweise weiterverwendet werden können und der Betrieb weitgehend dem von konventionellen Erdgasheizungen entspricht. Darüber hinaus ermöglicht die Wasserstoffverbrennung die Bereitstellung hoher Temperaturen, die insbesondere in Bestandsgebäuden erforderlich sein können.

Dennoch sind mit der Nutzung von Wasserstoff einige Herausforderungen verbunden. Die Gesamteffizienz ist im Vergleich zu Erdgasheizungen eingeschränkt, da die Wasserstoffherstellung einen hohen Energieaufwand erfordert, auch wenn der Verbrennungsprozess selbst effizient ist. Während 1 m³Wasserstoff etwa 3kWh Energiegehalt aufweist, sind es beim gleichen Volumen Erdgas 9,7-10 kWh.   Für den Einsatz von reinem Wasserstoff sind zudem angepasste Netze und Materialien erforderlich. Ein tatsächlicher CO₂-Vorteil kann nur erzielt werden, wenn ausschließlich grüner, also erneuerbar erzeugter, Wasserstoff verwendet wird. Die notwendige Menge, um Erdgas durch Wasserstoff zu ersetzen ist (derzeitig) nicht verfügbar.

Eine alternative Form der Wasserstoffnutzung stellen Brennstoffzellen-Heizungen dar. Hierbei wird Wasserstoff elektrochemisch in Strom und Wärme umgewandelt. Die Technologie zeichnet sich durch einen sehr hohen Gesamtwirkungsgrad von etwa 85 bis 95 % aus, da sowohl elektrische Energie als auch nutzbare Wärme bereitgestellt werden (Kraft-Wärme-Kopplung). Ein weiterer Vorteil liegt in der Emissionsfreiheit des Prozesses, da lediglich Wasser als Abfallprodukt entsteht. Demgegenüber stehen gegenwärtig noch hohe Investitionskosten, eine begrenzte Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff im Verteilnetz sowie die höhere technische Komplexität im Vergleich zu klassischen Heizkesseln. Besonders im Kontext von Nah- und Fernwärmenetzen eröffnet die Kraft-Wärme-Kopplung Potenziale für eine effiziente, dezentrale Wärmebereitstellung.

Für die Abschätzung zukünftiger Wasserstoffbedarfe sowie zur Auslegung der hierfür erforderlichen Energieinfrastrukturen durchlaufen Kommunen den Prozess der kommunalen Wärmeplanung. Aufgrund stark variierender struktureller, energetischer und infrastruktureller Ausgangsbedingungen werden dabei unterschiedliche Entwicklungsszenarien betrachtet.

Ein mögliches Szenario sieht die kombinierte Nutzung verschiedener erneuerbarer Energieträger vor, in dem Wasserstoff einen ergänzenden Baustein darstellt. Aufgrund seiner hohen Speicherfähigkeit und der flexiblen Einsatzmöglichkeiten eignet sich Wasserstoff insbesondere zur Deckung von Lastspitzen und zur Sicherstellung der Versorgung in Zeiten geringer erneuerbarer Stromerzeugung (z. B. Dunkelflauten).

Ein weitergehendes Szenario umfasst die vollständige Transformation des lokalen Wärmesystems auf Wasserstoff. Dieses Modell setzt jedoch eine entsprechende Energieinfrastruktur voraus und ist daher vor allem für Kommunen mit direktem Zugang zum nationalen oder regionalen Wasserstoffkernnetz realistisch.

Kommunen ohne Anbindung an dieses Kernnetz und mit überwiegend dezentralen Versorgungsstrukturen berücksichtigen ein wasserstoffdominiertes Wärmesystem seltener, da hierfür die Bereitstellung, der Transport und die Speicherung von Wasserstoff auf lokaler Ebene deutlich höhere logistische und wirtschaftliche Anforderungen mit sich bringen.

Trotz des Ausbaus des Wasserstoffkernnetzes ist noch nicht abzusehen ab wann, in welchen Mengen und zu welchem Preis Wasserstoff verfügbar sein wird.

Wärmeversorgung durch H2-Technologie

Wie soll H2-Technologie in der Wärmeversorgung angewendet werden?

Welche Voraussetzung braucht es und wer profitiert hierbei?

Welche Zielgruppen wurden herausgearbeitet und warum?

Nutzen der Abwärme von Elektrolyseuren: 

Grüner Wasserstoff wird per Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Quellen hergestellt. Dieser Prozess erreicht je nach eingesetztem Verfahren einen Wirkungsgrad von etwa 60 bis über 80 Prozent. Von zehn Kilowattstunden Strom, die ein Elektrolyseur benötigt, finden sich also rund sechs bis acht Kilowattstunden als Energie im erzeugten Wasserstoff wieder, die restlichen zwei bis vier Kilowattstunden werden zu Abwärme. Sie kann mit Hilfe eines Wärmetauschers ausgekoppelt und verwertet werden, etwa in einem Wärmenetz. Das erhöht den Gesamtwirkungsgrad des Systems deutlich. 

Wie das in der Praxis funktioniert, zeigt das Beispiel der nordfriesischen Gemeinde Bosbüll: Hier sind zwei Elektrolyseure installiert, die mit Strom aus zwei Windrädern und einer großen Photovoltaik-Anlage grünen Wasserstoff erzeugen. Die dabei entstehende Abwärme speisen die Betreiber in ein lokales Wärmenetz, das Wohnhäuser, öffentliche Einrichtungen und einen großen landwirtschaftlichen Betrieb versorgt. (Quelle: https://wasserstoffwirtschaft.sh/de/wasserstoff-waermesektor)