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veröffentlicht am 1. Dezember 2021
Der zunehmende Einsatz erneuerbarer Wärmequellen in Fernwärmenetzen stellt Energieversorger auf die Probe. Während der größte Anteil der Wärme gegenwärtig aus flexiblen Heizkesseln oder Blockheizkraftwerken stammt, die mit fossilen Brennstoffen Haushalte und Unternehmen versorgen, werden in Zukunft andere Technologien eine Rolle spielen. Einige der regenerativen Erzeugungstechnologien zeichnen sich dadurch aus, dass ein zeitlicher Versatz zwischen Wärmebereitstellung und Wärmebedarf besteht. Die Herausforderungen, vor denen Versorger angesichts der Wärmewende stehen, wurden in unserem Konzeptpapier „Die Wärmezielscheibe” ausführlich thematisiert. Im Folgenden nehmen wir die Möglichkeiten zur thermischen Energiespeicherung unter die Lupe und beleuchten die möglichen Verfahren, um Wärme zukünftig über einen längeren Zeitraum zu speichern. Zunächst werden die einzelnen Speichertypen und die dafür grundlegenden Begriffe definiert, um dann näher auf die Kompatibilität der Speicher mit der Fernwärme eingehen zu können.
Wärmespeicher stellen eine Möglichkeit dar, die Diskrepanz zwischen Wärmeangebot und Nachfrage in Einklang zu bringen. In Zeiten des Überschusses wird die Wärme gespeichert, d. h. der Speicher wird aufgeladen. Wenn die Erzeugungskapazität den Wärmebedarf nicht decken kann, wird der Speicher wieder entladen. Bereits heute sind Wärmespeicher in Form von Pufferspeichern in vielen Haushalten zu finden. Auch im industriellen Maßstab kommen sie bereits zum Einsatz, wie der AGFW Abwärmeleitfaden anhand praktischer und theoretischer Beispiele erläutert.
Bei einer Wärmeversorgung aus rein erneuerbaren Quellen können saisonale Wärmespeicher zukünftig eine bedeutende Rolle spielen, da sie die Wärme über einen längeren Zeitraum speichern können. Saisonale Wärmespeicher nehmen im Sommer überschüssige Wärme auf und geben diese im Winter bei Bedarf wieder ab. Dies ist insbesondere bei erneuerbaren Wärmequellen notwendig, die witterungsbedingt ein natürlich fluktuierendes Lastprofil aufweisen. Die Solarthermie fällt besonders in dieses Raster, da diese Art der Wärmeerzeugung von der Sonneneinstrahlung abhängig ist.
Neben dem saisonalen Einsatz kommen Speichertechnologien bereits jetzt in unterschiedlichen Wirtschaftssektoren sowie im privaten Bereich zum Einsatz, unter anderem zur Glättung kurzfristiger Lastschwankungen.1 Erzeugt beispielsweise eine industrielle Abwärmequelle tagsüber überschüssige Wärme, kann diese mithilfe eines Pufferspeichers über Nacht gespeichert werden. Mit dieser Energie können am Folgetag beispielsweise Anlagen vorgewärmt oder ein angeschlossenes Wärmenetz in der Nacht versorgt werden. Je effizienter Abwärme bzw. überschüssige Wärme genutzt wird, desto geringer ist der Primärenergiebedarf zur Wärmeerzeugung.
Zur Klassifizierung von Wärmespeichern werden gemeinhin 3 Kriterien verglichen: das Temperaturniveau des Speichers, die mögliche Speicherdauer sowie das physikalische Prinzip, auf dem die Speicherung beruht. Abhängig vom Temperaturniveau wird zwischen Hoch-, Mittel- und Niedertemperaturspeichern (> 500 °C, 500 – 120 °C, < 120 °C) unterschieden.2 Im Bereich der Speicherdauer erfolgt die Einteilung in die Kategorien Kurz- und Langzeitspeicher, wobei erstere zur Speicherung im Bereich von einigen Stunden bis wenigen Tagen und letztere über Zeiträume von wenigen Wochen bis zu einem Jahr eingesetzt werden können. Die physikalischen Prinzipien, die derzeit bei der Wärmespeicherung zum Einsatz kommen, sind thermochemische Wärmespeicher, Latentwärmespeicher und sensible Wärmespeicher.3 Diese Prinzipien werden im Folgenden näher erläutert.
Thermochemische Wärmespeicher, auch Sorptionsspeicher genannt, nutzen den Wärmeumsatz umkehrbarer chemischer Reaktionen. Durch eine endotherme Reaktion wird der Speicher geladen und nimmt Enthalpie auf. Diese wird bei der exothermen Entladung wieder abgegeben. Thermochemische Wärmespeicher ermöglichen sehr hohe Energiedichten, kommen derzeit aber kaum zum Einsatz, da sich die erforderliche Technologie größtenteils noch in der Grundlagenforschung befindet.4
In Latentwärmespeichern oder Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials) ist die Wärme im Gegensatz zu den sensiblen Wärmespeichern nicht „fühlbar”, sondern „verborgen” gespeichert. Das Ein- und Ausspeichern erfolgt durch eine Änderung des Aggregatzustands des Speichermediums (meist zwischen flüssig/fest) unter Nutzung der jeweiligen Schmelz- bzw. Erstarrungsenthalpie. Bei geringen Temperaturdifferenzen können wesentlich größere Energiemengen gespeichert werden als bei sensiblen Wärmespeichern, d.h. ihre Energiedichte ist höher. Die Schmelztemperaturen verschiedener Materialien können zwischen -40 bis weit über 1.000 °C liegen. Latentwärmespeicher werden z. B. in Wohngebäuden eingesetzt und können Wärme über lange Zeit mit geringen Verlusten speichern.5
Bei dieser Art der Wärmespeicherung erfolgt eine fühlbare, „sensible” Erhöhung der Temperatur des Speichermediums. Die speicherbare Energiemenge ist von der spezifischen Wärmekapazität des Mediums und vom Volumen des Speichers abhängig. Da die Temperaturdifferenz zwischen Speichermedium und Umgebung in der Regel höher ist als bei anderen Speichertechnologien, kommt der Wärmedämmung bei sensiblen Speichern eine besondere Bedeutung zu.6 Je niedriger die Temperaturdifferenz, desto geringer fallen auch die Verluste aus.
Da Wasser eine hohe spezifische Wärmekapazität aufweist und zudem kostengünstig, umweltfreundlich und frei verfügbar ist, werden viele sensible Speicher mit Wasser betrieben, die sich in Form eines Pufferspeichers bereits in nahezu jedem Haushalt befinden. Neben dem flüssigen Speichermedium Wasser finden auch Feststoffe wie Kies oder Eisenoxidsteine Verwendung. Verglichen mit latenten oder thermochemischen Wärmespeichern weisen sensible Speicher niedrige Energiedichten auf, allerdings ist die Technik sehr ausgereift und wirtschaftlich sinnvoll.7
Tabelle 1: Entwicklungsstand und Kosten der Wärmespeichertechnologien 9
Derzeit sind auf dem Markt hauptsächlich sensible Wärmespeicher vertreten, da diese am weitesten ausgereift sind. Phasenwechselspeicher sowie thermochemische Wärmespeichertechniken kommen derzeit praktisch ausschließlich in Nischenanwendungen zum Einsatz. Die Möglichkeiten, diese Speicherprinzipien zur Langzeitspeicherung zu verwenden, werden noch erforscht (siehe Tabelle 1).
Im Folgenden wird auf Erdsonden- und Aquiferwärmespeicher eingegangen, da diese für Fernwärmenetze besonders geeignet sind und die Voraussetzungen eines saisonalen sensiblen Wärmespeichers erfüllen.
Unter einem Aquifer versteht man eine natürliche, abgeschlossene Gesteinsschicht, die tief unter der Erde Grundwasser führt.10 Ein Aquiferwärmespeicher nutzt die Wärmekapazität des Wassers und Gesteins zur Speicherung thermischer Energie. Er wird, wie eine geothermische Dublette, über eine Förder- und eine Schluckbohrung erschlossen. Zur Beladung wird Wasser über eine der Bohrungen entnommen, in einem Wärmetauscher erwärmt und dem Aquifer über die zweite Bohrung wieder zugeführt. Dieser Vorgang wird im Entladebetrieb umgekehrt.11
Ein Aquiferwärmespeicher mit 20.000 m3 kommt beispielsweise bei einer Solarthermieanlage in Rostock zum Einsatz.12 Auch im Reichstagsgebäude in Berlin werden Aquifer zur Wärme- und Kältespeicherung eingesetzt. Aus ca. 300 Metern Tiefe wird Grundwasser gefördert, das die überschüssige Wärme des hauseigenen BHKWs aufnimmt und über eine zweite Bohrung wieder in die Erde zurückleitet. Mit einer Pumpleistung von 100 m3/h und einer Temperatur von 60 °C wird das Wasser in die Gesteinsschicht gepresst und in der nächsten Heizperiode bei einer Temperatur von 55 °C wieder an die Oberfläche gefördert. In der kalten Jahreszeit wird parallel Grundwasser über einen Wärmetauscher abgekühlt, das im Sommer als Kältequelle dient.13,14
Der Vorteil geologischer Speicher ist, dass sowohl warmes als auch kaltes Wasser im Boden gespeichert werden kann, wie die obigen Beispiele verdeutlichen. Je nach Jahreszeit ist es möglich, Wasser aus dem Speicher als Wärme- oder Kältequelle einzusetzen. Zudem kann an der Oberfläche auf große, flächenintensive Bauten verzichtet werden, wodurch große Speicher einfacher realisierbar sind. Ein weiterer positiver Aspekt von Aquiferwärmespeichern ist die weitreichende Kompatibilität mit Niedertemperaturnetzen, da die Temperaturniveaus fast exakt übereinstimmen. Bei einer Absenkung der Rücklauftemperatur können die Levelized Cost of Energy Storage (LCOES) weiter verringert werden.
Allerdings verfügen nicht alle Standorte über die Möglichkeit, einen Aquiferwärmespeicher zu realisieren, da die entsprechenden hydrogeologischen Bedingungen vorhanden sein müssen (siehe Tabelle 2). Darüber hinaus können Konflikte mit der Grundwassernutzung auftreten, da die Auflagen des Grundwasserschutzes stets beachtet werden müssen.15 Zudem haben Projekte, wie das Geothermieprojekt „Deep Heat Mining Basel”, durch seismische Ereignisse bei der Bevölkerung ein zwiegespaltenes Verhältnis zur energietechnischen Nutzung des Untergrundes hinterlassen. Für großtechnische Anwendungen von Aquiferwärmespeichern müssen die Risiken für Umwelt und Bevölkerung, wie Erdbeben oder Grundwasserverschmutzung, sorgfältig überprüft und kontinuierlich begleitet werden.16
Erdsondenwärmespeicher nutzen das Gestein im Untergrund zur Wärmespeicherung. In vertikal oder schräg verlaufende Bohrungen werden wasserdurchflossene Erdwärmesonden bis zu 100 m tief ins Erdreich eingegossen. Der Sondenabstand beträgt hierbei 1,5 bis 3 m und der Untergrund sollte die Voraussetzungen aus Tabelle 2 erfüllen. Durch diese Erdwärmesonden wird das erhitzte Wasser in den Untergrund geleitet und erwärmt dort das Gestein.17
Wenn Wärmebedarf besteht, wird die gespeicherte Wärme dem Gestein über dieselben Sonden wieder entzogen. Zusätzlich zur aktiven Einspeicherung von Wärme kann dem Untergrund bei Bedarf durch Erdsondenwärmespeicher auch die natürliche Erdwärme entzogen und mithilfe einer Wärmepumpe nutzbar gemacht werden.18 Erdsondenwärmespeicher mit Volumina zwischen 9.350 m3 und 63.360 m3 wurden beispielsweise in Neckarsulm, Attenkirchen und Crailsheim realisiert.
Die Vorteile von Erdsondenwärmespeichern sind vor allem der geringe Platzbedarf an der Erdoberfläche sowie die lange Lebensdauer. Des Weiteren ist diese Art von Speichern robust und einfach zu warten, wodurch niedrige Betriebs- und Wartungskosten anfallen.19
Nachteilig jedoch sind die relativ hohen Anfangsinvestitionen und der hohe erforderliche Planungsaufwand. Zudem hat diese Art von Speicher eine geringe Be- und Entladeleistung und es sind gegebenenfalls Zusatzkomponenten, wie Pufferspeicher oder Wärmepumpen vonnöten, um einen reibungslosen Betrieb zu gewährleisten. Diese Zusatzkomponenten erhöhen allerdings die Einsatzmöglichkeiten der Speicher, beispielsweise können die Speicher mittels Wärmepumpen tiefer entladen werden, was die Speicherkapazität erhöht.20 In Tabelle 2 werden die jeweiligen hydrogeologisch Anforderungen von Erdsonden- sowie Aquiferwärmespeichern gegenübergestellt.
Tabelle 2: Hydrogeologisch Anforderungen an die Speicherarten 21
Um festzustellen, welche Wärmespeicher für die Nutzung in einem Fernwärmenetz geeignet sind, können unterschiedliche Kennzahlen zurate gezogen werden. Dabei sind einerseits physische Größen von Bedeutung, unter anderem die Speicherkapazität, das Temperaturniveau oder die technische Nutzungsdauer. Andererseits ist die Bewertung der Wirtschaftlichkeit letztlich entscheidend für die Umsetzbarkeit von Wärmespeichern. Diese kann anhand der Investitionskosten pro MWh sowie der Levelized Cost of Energy Storage (LCOES) bewertet werden.
Aufgrund der vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten und technologischer Reife werden nur Aquiferwärmespeicher und Erdsondenwärmespeicher näher betrachtet. Kennzahlen für übliche Anwendungsfälle sind in Tabelle 3 zusammengefasst.
Erdsondenwärmespeicher sind typischerweise ab einem Volumen von 50.000 m3 technisch und wirtschaftlich sinnvoll. Der nutzbare Temperaturbereich liegt zwischen 20 und 80 °C bei einer Speicherdichte von 30 bis 60 kWh/m3. Die typische Lebensdauer von Erdsondenwärmespeichern beträgt ca. 50 Jahre.
Problematisch sind die hohen Energieverluste von bis zu 50 Prozent bei kleinen Speichern, bei steigendem Speichervolumen sinken die Verluste auf 20 bis 30 Prozent ab. Die praktisch erzielbare Speicherdichte hängt stark von der Temperaturdifferenz und somit von der Anwendung und Systemeinbindung ab. So kann eine wesentlich höhere Speicherdichte erreicht werden, wenn eine ergänzende Entladung mittels einer Wärmepumpe erfolgt.22
Aquiferwärmespeicher sind in der Regel ab einer Kapazität von 20.000 m3 realisierbar. Der nutzbare Temperaturbereich liegt ebenfalls zwischen 20 bis 80 °C, die Speicherdichte bei 30 bis 50 kWh/m3. Die übliche technische Lebensdauer beläuft sich auf 15 bis 30 Jahre. Wenn der Speicher in einer Tiefe realisiert werden kann, in der die natürlich vorherrschende Temperatur gleich oder höher ist als die Nutztemperatur, so sind die Speicherverluste minimal oder es resultieren durch Wärmeaustausch mit dem umgebenden Gestein sogar Gewinne. Oberflächennahe Aquiferwärmespeicher verlieren hingegen einen Teil der gespeicherten Wärme an das umgebende Erdreich. Auch hier gilt der Grundsatz: Je größer der Speicher, desto geringer die relativen Verluste. 23
Tabelle 3: Temperaturbereiche und Speicherdichten verschiedener Wärmespeichertechniken24
Zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit der Einbindung eines Wärmespeichers in ein Wärmeversorgungssystem kommen mehrere Kennzahlen infrage, betrachtet werden an dieser Stelle zunächst die Investitionskosten und anschließend die Levelized Cost of Energy Storage. Grundsätzlich kann festgehalten werden, dass die Kosten für Wärmespeicher eine große Spannbreite aufweisen, die durch die Dimensionierung und die örtlichen Gegebenheiten stark beeinflusst wird.
Die bereits in größerem Maßstab eingesetzten, sensiblen Wärmespeicher weisen Investitionskosten in einer Größenordnung von 0,5 bis 7,0 €/kWh Speicherkapazität auf. Die kapazitätsspezifischen Investitionskosten werden einerseits von der angesetzten Speichergröße beeinflusst, andererseits von den örtlichen Gegebenheiten. In der Regel sinken die spezifischen Investitionskosten mit steigender Speicherkapazität. Erdsondenwärmespeicher weisen tendenziell höhere Investitionskosten auf als Aquiferwärmespeicher. Bei Letzteren sind jedoch mindestens 2 Bohrungen notwendig.25
Zur Bewertung der Betriebskosten und Betrachtung der gesamten Lebensdauer eines Speichers kommt das Konzept des Levelized Cost of Energy Storage zum Einsatz. Hierbei werden die Kosten des gesamten Lebenszyklus betrachtet (alle Investitions- und Betriebskosten) und mit einem entsprechenden Zinssatz diskontiert. Die derart diskontierten Kosten werden ins Verhältnis mit der ebenfalls diskontierten Energiemenge gesetzt, die dem Speicher entnommen werden konnte. Die LCOES sind, wie auch die Investitionskosten, stark von der eingesetzten Speichertechnologie sowie den Dimensionen des Speichers und den örtlichen Gegebenheiten abhängig.
Aufgrund der bisher geringen Zahl umgesetzter Projekte ist die Datenlage zu LCOES verschiedener Technologien noch gering. Als Anhaltspunkt für die LCOES von Niedertemperaturspeichern ohne den Wärmepreis für die Einspeicherung hält eine Untersuchung des „Forum Energiespeicher Schweiz” Größenordnungen von 30 bis 50 €/MWh fest. Bei Nutztemperaturspeichern steigen die LCOES auf 40 bis 100 €/MWh für Erdbecken- und Aquiferwärmespeicher.26
Die Kosteneffizienz hingegen hängt in erheblichem Maß von der Anzahl der jährlichen Nutzungszyklen, von der Menge der eingespeicherten Wärme, von der Lebensdauer des Speichers und von der Speichergröße ab.
Derzeit sind sensible Wärmespeicher, die Wasser oder das Erdreich als Speichermedium verwenden, die am weitesten verbreitete Art von Speicher. Diese werden auch in der Fernwärmewirtschaft auf absehbare Zeit vorwiegend zum Einsatz kommen. Latente und thermochemische Wärmespeicher haben nach wie vor keine Marktreife erlangt. Aufgrund von relativ hohen Speichertemperaturen und hohen Kosten ist davon auszugehen, dass latente und thermochemische Speicher eher für spezifischere Anwendungen in der Industrie anstatt in Fernwärmenetzen zum Einsatz kommen. Doch auch für diese Speichertechnologien könnte es in Zukunft adäquate Einsatzbereiche geben, wie zum Beispiel bei der Speicherung von Abwärme in der Chemie- und Metallindustrie.
Hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit von Wärmespeichern kann festgehalten werden, dass die Speicherkosten mit steigendem Temperaturniveau des Speichermediums ebenfalls ansteigen. Niedrige Speichertemperaturen erfordern zur Einbindung in bestehende Netze gegebenenfalls Wärmepumpen oder eine anderweitige Wärmequelle, um das Temperaturniveau auf die Netztemperatur anzuheben. Andererseits sind Speicher mit hohem Temperaturniveau mit höheren Wärmeverlusten verbunden. Die Kosteneffizienz eines Wärmespeichers hängt davon ab, wie viel Wärme in der Umgebung benötigt wird. Industrielle Großverbraucher oder ein entsprechend großes Fernwärmenetz eignen sich hervorragend für groß angelegte Speicher, die somit einen direkten Abnehmer haben.
Auch die lokalen Bedingungen müssen für die vorgesehenen Speichertechnologien geeignet sein. Aquiferwärmespeicher können beispielsweise nicht realisiert werden, wenn kein geeignetes Grundwasserreservoir vorhanden ist oder der Grundwasserleiter eine Strömung aufweist, die die gespeicherte Wärme abtransportiert. Bei günstigen Bedingungen zeigen Beispiele aus dem Ausland, dass Aquiferwärmespeicher, Erdwärmespeicher und Erdbeckenspeicher als wirtschaftlich sinnvolle Projekte realisiert werden können. In Dänemark und den Niederlanden gibt es beispielsweise eine Vielzahl an Projekten, die die Wirtschaftlichkeit von saisonalen Speichern bestätigen.
Für eine regenerative und umweltfreundliche Wärmeversorgung werden Wärmespeicher in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Saisonale Wärmespeicher werden zur Schlüsseltechnologie, um den erneuerbaren Anteil im Wärmemix auch zur kalten Jahreszeit aufrechtzuerhalten und auf klimaschädliche Energieträger weitestgehend zu verzichten. Durch die Nutzung und Speicherung überschüssiger Wärme im Sommer kann ein Versorgungssystem geschaffen werden, das den Versatz zwischen Wärmebedarf und Wärmenachfrage zugunsten der Effizienz über die gesamte Dauer einer Heizperiode ausgleicht. Im laufenden Prozess der Sektorenkopplung kann die Wertschöpfung in der Energiewirtschaft durch die genannten Technologien langfristig gesichert werden.
Machen Sie als Fernwärmeversorger den ersten Schritt und untersuchen Sie mögliche Standorte und die Umsetzbarkeit eines Wärmespeichers in Ihrem Netzgebiet!
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1 Lassacher 2018. S. 12. 2 Lassacher 2018, S. 14.3 FESS 2019, S. 11.4 Lassacher 2018, S. 14.5 Lassacher 2018, S. 14.6 Lassacher 2018, S. 14.7 Lassacher 2018, S. 14.8 Dehli 2020, S. 256. 9 Wesselak 2017, Wesselak2017_Book_HandbuchRegenerativeEnergietec.pdf S. 740.10 Bundesverband Geothermie 2020a.11 Bundesverband Geothermie 2020b.12 Solar- und Wärmetechnik Stuttgart (SWT), 5th ISES Europe Solar Conference.13 Ramboll 2015, S. 24.14 Gebäudetechnik Bundestag.15 EnergieSchweiz 2018, S. 20. 16 15_11_30_VBSA_Wärmespeicherung.pdf S. 2417 EnergieSchweiz 2018, S. 20. 018 Energie-Experten 202119 EnergieSchweiz 2018, S. 20. 20 EnergieSchweiz 2018, S. 20. 21 EnergieSchweiz 2018, S. 20. 22 FESS 2019, S. 28.23 Wessalak 2017, S. 745.24 FESS 2019, S. 28.25 IRENA 2020, S. 96.26 FESS 2019, S: 29.
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Daniel Batschkus
MBA, M.Sc. (TUM) Maschinenwesen
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