Grosswärmespeicher als zentraler Baustein einer flexiblen Strom- und Wärmeversorgung

Um das enorme Potenzial der Erneuerbaren Energien im Wärmebereich in höherem Maße nutzen zu können, bedarf es des Ausbaus von Wärmenetzen und Wärmespeichern. Jene leisten einen wichtigen Beitrag bei der Umsetzung der Energiewende. Sie sind ein zentraler Baustein der Wärmewende, welche immer noch am Anfang steht.

Das Beispiel Dänemark zeigt, dass sich der Anteil der Erneuer- baren Energien mit dem Ausbau von Wärmenetzen schnell steigern lässt. Damit die Wärme weitgehend treibhaus- gasneutral und effizient bereitgestellt wird, müssen die Wärmenetze vor allem aus Bioenergie, Solarthermie, Erdwärme und strombasierten Anlagen (z.B. Großwärmepumpen) gespeist werden. Damit diese das ganze Jahre über den Wärmebedarf decken können, braucht es Langzeitspeicher. Aber nicht nur für den Wärmesektor an sich stellen Wärmespeicher eine Schlüsseltechnologie dar. Sie sind auch ein wichtiger Baustein für die Kopplung des Strom- mit dem Wärmesektor. Wind und Sonne werden in Zukunft den größten Teil der Energie-erzeugung stellen. Deren wetterabhängige Energiebereitstellung muss in das System integriert werden. Speicher spielen bei der Verknüpfung der Sektoren Strom und Wärme eine entscheidende Rolle. Steht in der Zukunft zu bestimmten Zeiten ein Überangebot erneuerbaren Stroms zur Verfügung, kann dieser Strom beispielsweise das Wasser eines Wärmespeichers erhitzen (Power-to-Heat). Auf diese Weise lässt sich das Energiesystem der Zukunft flexibel an die schwankende Energiebereitstellung der Erneuerbaren Energien anpassen.

Wärmespeicher überbrücken zeitliche Lücken

Wärmespeicher bieten Lösungen, um Energie, die zum Zeitpunkt der Erzeugung nicht direkt verbraucht werden kann, zu einem späteren Zeitpunkt nutzbar zu machen. Wärmespeicher sorgen dafür, dass Wärme, die an warmen Tagen bei der Stromerzeugung in Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), in Industrieprozessen oder Solarthermieanlagen bereitgestellt wird, in kälteren Zeiten mit hohem Wärmebedarf noch zur Verfügung steht. Durch den Ausbau der Erneuerbaren Energien wird der Bedarf an Speicherkapazität immer weiter steigen. Es gibt bereits viele Projekte in deutschen Kommunen, die saisonale Wärmespeicher in der Praxis anwenden, d.h. ein Überangebot von Wärme im Sommer speichern und bei steigender Nachfrage in den kalten Wintermonaten wieder entnehmen. Wärmenetze müssen diesen neuen Anforderungen entsprechend umgebaut werden.

Thermische Energie kann auf verschiedene Weise gespeichert werden. Es ist stets ein Speichermedium nötig, z.B. eine Flüssigkeit oder ein Feststoff. Im Folgenden werden zuerst drei Speicherarten unterschieden: Sensible, latente und thermochemische Speicher. Die Technologien unterscheiden sich in der Energiedichte und der maximal speicherbaren Temperatur. Wie viel thermische Energie der Speicher aufnehmen kann, ist von der Wärmekapazität und Masse des Speicher- mediums sowie der nutzbaren Temperaturdifferenz abhängig. In der Praxis kommen vor allem sensible Speicher zum Einsatz. Latente und thermochemische Speicher befinden sich dagegen noch in der Entwicklungsphase.

Großspeicher können mit mehreren Tausend bis zu mehreren Millionen Litern Fassungsvermögen, die in Wärmenetze eingebunden sind und mehrere Tage, Wochen und Monate überbrücken können und als Pufferspeicher ebenso Schwankungen im Wärmenetz bei Wärmeerzeugung und -bedarf ausgleichen. Sensible Großspeicher mit einem flüssigen Speichermedium lassen sich in verschiedene Bauformen einteilen: Behälter-, Erdbecken-, Erdsonden- und Aquifer-Wärmespeicher.

Die Wahl des richtigen Wärmespeichers für ein Wärmenetz

Wärmenetze, die mit einem Großspeicher ausgestattet sind, erleichtern technisch auch die Einspeisung von Wärme durch die Wärmekunden. Mit einem Hybridanschluss könnten Kunden Wärme, die sie mit einem dezentralen Blockheizkraftwerk oder einer Solarthermieanlage selbst erzeugen, im Netz zwischenspeichern – sofern der Wärmenetzbetreiber dies gestattet. So könnte Wärme mit geringeren Verlusten gespeichert werden als in kleinen dezentralen Speichern. Bei der Wärmespeicherung ergibt sich die Frage nach einem geeigneten Speichermedium mit günstiger Wärmeleitfähigkeit sowie Wärmekapazität, welches mit seinen physikalischen wie wirtschaftlichen Eigenschaften dem jeweiligen Anwendungsprofil entsprechen muss. Von entscheidender Bedeutung sind hierbei der Temperaturbereich sowie die erreichbare Energiedichte des Mediums. Hiermit gehen ebenso das Speichervolumen sowie seine Speicherdauer (Fähigkeit zur Kurzzeit- oder Langzeitspeicherung) einher. Von großem Interesse bei der Wärmespeicherbewertung sind die spezifischen Investitionskosten einer Speichertechnologie. Diese sind jedoch aufgrund der stark divergierenden Rahmenbedingungen und Gegebenheiten vor Ort variabel und daher wie die Wärmekosten pro kWh schwer pauschal anzugeben, da sie in hohem Maße von der jeweiligen Anwendung oder dem verbundenen System abhängen.

Wärmespeicher und die Flexibilisierung von KWK-Anlagen

Der Wärmespeicher ermöglicht eine höhere Stromproduktion von stromgeführten KWK-Anlagen, denn die Kraftwerke können durch die Einspeicherung der Wärme in den Speicher auch dann laufen, wenn die Wärme eigentlich nicht gebraucht wird. Auch eine Erhöhung der wirtschaftlich attraktiven Spitzenstromerzeugung ist möglich. Der Wärmespeicher kann also dazu beitragen, eine stromgeführte KWK-Anlage effizienter auszulasten. Damit Wärmespeicher zur Flexibilisierung der KWK beitragen können, müssen sie entsprechend dimensioniert werden. Während Wärmespeicher in reinen Heizwerken, die nur Wärme für Wärmenetze oder Industrieanlagen produzieren, lediglich als Pufferspeicher dienen, werden bei Heizkraftwerken oder Biogasanlagen große Speicher benötigt, die Wärme über Tage und Wochen speichern können. Bisher sind Wärmespeicher vor allem darauf ausgelegt kurze Zeiträume zu überbrücken, um die Spitzenlast zu decken und den teuren Einsatz von Spitzenlastkesseln zu reduzieren sowie kosten- und verschleißintensive Anfahrvorgänge der KWK-Anlagen zu vermeiden. Zur Deckung der Spitzenlast beim Wärmebedarf, die vor allem im Winter in den Morgenstunden auftritt, werden die Speicher am Vortag und nachts aufgeladen. In einem Energiesystem, in dem KWK-Anlagen flexibel das wetterabhängige Angebot von Sonne und Wind ausgleichen, wächst der Bedarf an Großwärmespeichern. Diese ermöglichen es, Wärmeangebot und Wärmebedarf über größere Zeiträume in Einklang zu bringen und Strom- und Wärmeerzeugung zeitlich zu entkoppeln. In Zeiten, in denen viel Strom, aber wenig Wärme benötigt wird, wird die nicht benötigte Wärme aus KWK- Anlagen in den Wärmespeicher geleitet. Wenn viel erneuerbarer Strom im Netz ist, kann die KWK- Anlage ihre Stromerzeugung herunterfahren und der Wärmebedarf wird aus dem Wärmespeicher gedeckt. Dadurch kann bei Netzengpässen mehr Wind- und Solarstrom eingespeist werden. Zusätzlich können Wärmespeicher mit Stromheizstäben ausgestattet werden, die erneuerbaren Strom in Wärme umwandeln, wenn Solar- oder Windenergieanlagen ansonsten abgeregelt werden müssten (so genannte Power-to-Heat-Konzepte). Dadurch können Wärmespeicher zur Netzstabilität beitragen.

Die Flexibilisierung von KWK-Anlagen ist zwar technisch kein Problem, ökonomisch rechnet sie sich derzeit aber für die Anlagenbetreiber noch nicht. Eine Studie des Fraunhofer IWES untersuchte im Jahr 2016 die wirtschaftlichen und technischen Möglichkeiten zur Flexibilisierung von Biomasse-Heiz- kraftwerken. Eine Umstellung des Betriebs von Holzheizkraftwerken auf eine flexiblere Fahrweise ist demnach in fast allen Fällen möglich, allerdings derzeit noch wirtschaftlich unattraktiv. Unter den aktuellen Rahmenbedingungen, die sich insbesondere durch rückläufige Börsenstrompreise auszeichnen, sei eine stromgeführte Fahrweise ökonomisch uninteressant.

Die Inhalte dieses Artikels stammen aus dem Hintergrundpapier Renews Spezial 80: Grosswärmespeicher - Zentraler Baustein einer flexiblen Strom- und Wärmeversorgung der Agentur für Erneuerbare Energien.