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News  – Nachrichten aus der Energieforschung

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In Mannheim ging im Herbst 2013 der leistungsstärkste Fernwärmespeicher Deutschlands in Betrieb.
© Großkraftwerk Mannheim Aktiengesellschaft
Thermische Speicher und Power-to-Heat
24.01.2018

Die Grafik zeigt das Funktionsprinzip und die Systemeinbindung eines drucklosen Verdrängungswärmespeichers. Verdrängungswärmespeicher werden in Fernwärmenetzen eingesetzt, da sie einfach aufgebaut und somit relativ kostengünstig sind.
© TU Berlin, Institut für Energietechnik (IET)

Die Forscher analysierten detailliert mögliche Be- und Entladestrategien von Wärmespeichern. Die Grafik zeigt die Fahrweise der drei Gegendruck-GuD-Blöcke (Modellergebnisse für 2015). Im Referenzfall ohne Wärmespeicher links sind vom 02.11. bis zum 07.11. zwei der drei Heizkraftwerksblöcke in Betrieb. Die thermische Spitzenlast wird vom Heizwerk bereitgestellt, da die Fernwärmenachfrage und die Strompreise nicht hoch genug sind, um den dritten Block hinzuzunehmen. Im rechten Bereich ist der Betrieb mit Wärmespeicher dargestellt (Kapazität: 1.200 MWh bzw. 2 Stunden Wärmeengpassleistung der KWK-Anlage).
© TU Berlin, Institut für Energietechnik (IET)

Wann sind flexible Fernwärmesysteme im Vorteil?

Die Integration thermischer Speicher in Heizkraftwerken führt zu mehr Flexibilität in Fernwärmenetzen, weil die Stromerzeugung besser an den Strombedarf angepasst werden kann. Power-to-Heat-Anlagen koppeln den Strom- und Wärmesektor, um Strom aus erneuerbaren Energien für die Fernwärmebereitstellung zu nutzen. Forscher der TU Berlin untersuchten zusammen mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie, wann der Bau von Wärmespeichern und Power-to-Heat-Anlagen wirtschaftlich und ökologisch vorteilhaft sein kann.

Um ein Fernwärme-Versorgungssystem zu flexibilisieren, gibt es zwei Möglichkeiten: eine integrierte Wärmespeicherung und elektrische Wärmebereitstellung. Dabei ist entscheidend, wie der Anlageneinsatz ökonomisch optimiert werden kann. Hierbei gilt es beispielsweise, den Zeitpunkt und Zeitrahmen des Anlagenbetriebs – also, wann und mit welcher Leistung der Wärmespeicher be- oder entladen wird – optimal zu nutzen. Und natürlich müssen die ökonomische Randbedingungen sowie die Wärmelast einfließen.

Dazu ermittelten die Forscher Charakteristika von Heizkraftwerken mittels thermodynamischer Kraftwerkssimulationen sowie die Vorteile einer Einbindung von thermischen Speichern und Power-to-Heat-Anlagen. Diese dienen als Erweiterungs- und Flexibilisierungsoptionen in Fernwärmesystemen. In Frage kommende Technologien für Power-to-Heat Anlagen sind eine elektrische Wärmebereitstellung durch Heizstäbe (E-Heizer) und Wärmepumpen. E-Heizer wandeln elektrische Arbeit direkt in thermische Energie um und können entweder als Elektrodenkessel oder als Elektro-Durchlauferhitzer ausgeführt werden.

Die Anlagendaten fließen in ein Optimierungsmodell zur Einsatzplanung von Fernwärmesystemen ein. Es liefert eine stunden- und blockscharfe Fahrweise aller beteiligten Anlagen und Wärmespeicher. Damit unterstützt das Modell Betreiber bei Investitionsentscheidungen.

Um die Einflüsse dieser Erweiterungstechnologien auf das deutsche Energiesystem abschätzen zu können, haben die Forscher den Beitrag verschiedener Ausbaustufen von Wärmespeichern in deutschen Fernwärmenetzen ermittelt. Ziel ist die Gewährleistung einer künftig funktionalen Stromspeicherung und eine erhöhte Stromerzeugung aus KWK-Anlagen. Untersucht wurde auch, welchen Nutzen Wärmespeicher und Power-to-Heat-Anlagen zur Erbringung von Sekundärregelleistung und Minutenreserve haben und welchen Beitrag sie zur Systemstabilität leisten können.

Zusammengefasst erbrachten die Forschungsarbeiten folgende Erkenntnisse:

  • Der Betrieb und die Wirtschaftlichkeit von Wärmespeichern sind stark abhängig von der Flexibilität des Heizkraftwerks, der Stromkennzahl und den Stromgestehungskosten. Zu berücksichtigen sind daneben die Volatilität und das Niveau der Strompreise. Eine genaue Einzelfallbetrachtung ist notwendig.
  • Der Deckungsgrad der KWK-Anlagen für die Wärmeversorgung lässt sich durch Wärmespeicher erhöhen, insbesondere bei geringen Volllaststunden der KWK-Anlage.
  • Der Einsatz von Power-to-Heat-Anlagen ist stark abhängig von der Effizienz (COP) und den Gesamtkosten für Strom.
  • Mögliche Synergien von Wärmepumpe und Wärmespeicher sind in den untersuchten Fällen eher gering.

Das Projekt hat die TU Berlin in Zusammenarbeit mit der Hochschule Hannover, der Universität Leipzig sowie mit Beratung durch Industriepartner durchgeführt.
Weitere Informationen zum Forschungsprojekt enthält die Website ENERGIEWENDEBAUEN. Die teilweise sehr detaillierten Analysen zum Einsatz von Wärmespeichern und Power-to-Heat-Anlagen mit entsprechenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen sind dem Projekt-Abschlussbericht (PDF, 14 MB) zu entnehmen.

(fr)

Merkzettel

Adressen

Projektkoordination, Forschung
TU Berlin, IET

Links

Einsatz von Wärmespeichern und Power-to-Heat-Anlagen in der Fernwärmeerzeugung
Projekt-Abschlussbericht auf der Website ENERGIEWENDEBAUEN

Wärmespeicher und Power-to-Heat in der Fernwärmeerzeugung
Projektvisitenkarte auf der Website ENERGIEWENDEBAUEN

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und Analysen aus der Forschungsinitiative ENERGIEWENDEBAUEN

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