Intelligente und ökologische Wärmespeicher

Wärme speichern und dann abrufen, wenn sie gebraucht wird

Stadtwärme  •  14.09.2021

#wärmespeicher #stadtwärme #sektorkopplung

 

Ein wichtiger Baustein der Energiewende ist die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), bei der in Kraftwerken sowohl elektrischer Strom als auch Wärme erzeugt wird. Das ist effizient und erhöht den Grad der Brennstoffausnutzung in Heizkraftwerken. So werden auch die CO2-Emissionen – im Vergleich zur getrennten Erzeugung von Strom und Wärme – reduziert. Für die Fernwärme werden gedämmte Wasserleitungen verlegt, die – meist unterirdisch – die Wärme zu den Gebäuden führen. Dort wird sie dann zum Heizen und für die Warmwasserbereitung genutzt.

Um diese Wärme bedarfsgerechter und effizienter bereitstellen zu können, sind Wärmespeicher sinnvoll. So kann die Stromerzeugung im Heizkraftwerk von der Wärmeversorgung entkoppelt werden. Durch die zunehmende Einspeisung von erneuerbarem Strom wird diese Entkopplung immer bedeutender.

Blockheizkraftwerke von Nano bis Mega

Um Wärmeverluste durch zu große Leitungslängen zu vermeiden, finden sich die rund 1.400 bundesweiten Fernwärmenetze bevorzugt in Ballungsräumen mit hoher Wärmeabnahmedichte. Neben großen zentralen Heizkraftwerken erfreuen sich mittlerweile sogenannte Blockheizkraftwerke, die ebenfalls nach dem KWK-Prinzip arbeiten, immer größerer Beliebtheit. Die kleinsten derartigen Anlagen liegen bei nur wenigen Kilowatt Leistung – etwa zur Versorgung eines kleinen Mehrfamilienhauses. Große Anlagen erzeugen bis zu 10 Megawatt und mehr elektrische und thermische Leistung. Sie bedienen ganze Stadtteile oder Gewerbegebiete über ein Wärmeleitungsnetz.

Anders als beim elektrischen Strom gibt es bei der Fernwärme kein europaweites Netz, sondern regionale Wärmenetze zwischen denen Energiespitzen nicht wie beim Strom ausgeglichen werden können. Auch wenn die KWK-Anlagen häufig im Dauerbetrieb laufen, müssen sie bei zu hoher Einspeisung von grünem Strom aus Wind und Sonne in das Stromnetz heruntergeregelt werden. Damit auch in dieser Zeit die Wärmeversorgung nicht unterbrochen wird, überbrückt der vorher beladene Wärmespeicher diesen Stillstand des Heizkraftwerkes. Auf diese Art und Weise werden die beiden Sektoren Strom- und Wärmeerzeugung gekoppelt (Sektorkopplung). Das Herunterfahren des Heizkraftwerks entlastet das Stromnetz und der Wärmespeicher sichert die Wärmeversorgung ab.

Aus dem Wärmespeicher wird die einmal erzeugte und eingespeicherte Heizenergie wieder abgerufen, wenn besonders hohe Wärmebedarfe anliegen. Das ist im Winter beispielsweise morgens der Fall, wenn Verbraucher duschen und ihre Heizungen aufdrehen. Stärkster Nachfragetag für Wärmenetze ist in der kalten Jahreszeit der Montag, wenn Gewerbebetriebe, Einkaufszentren, Schwimmbäder, Verwaltungsgebäude oder Schulen nach dem Wochenende wieder beheizt werden müssen. Diese Schwankungen müssen Wärmespeicher ausgleichen. Im Sommer hingegen fällt der Bedarf nach Heizwärme tagsüber weg.
 

Wärmespeicher in skalierbaren Leistungsgrößen

Eine weitere Aufgabe für Wärmespeicher: Im Zuge der Energiewende wird auch die Kopplung der Wärmenetze mit erneuerbaren Energieträgern immer beliebter, etwa die Einspeisung von Abwärme aus Biogasanlagen oder solarer Wärmeenergie aus Dachanlagen. Letztere aber gewinnen ihre saubere Energie nur dann, wenn die Sonne scheint und nicht unbedingt dann, wenn viel Wärme benötigt wird. Auch hier muss Wärme also möglichst umweltschonend gepuffert werden.

Wärmespeicher gibt es – ähnlich wie Blockheizkraftwerke – mittlerweile skalierbar in vielen Leistungsgrößen. Kleine Wärmespeicher im Einfamilienhaus können direkt in die Heizungs- und Warmwasseranlage integriert werden. Größere Wärmespeicher, darunter beispielsweise Hochtemperaturspeicher auf Stahl- oder Betonbasis puffern Heizenergie für ganze Stadtteile. So etwa in Berlin-Tegel, wo ein Blockheizkraftwerk das Wohnquartier Bottroper Weg mit Quartiersstrom und Nahwärme rund um die Uhr versorgt und durch die Installation eines Stahlspeichers erneuerbare Energien in den Energiemix integriert. Ein Hochtemperaturspeicher mit Stahlkern, der bis auf 650 Grad Celsius erhitzt wird, macht es möglich. Aufgeheizt wird der Speicher mit Strom, wenn zu viel davon im Netz ist, also bei starkem Wind und/oder viel Sonnenschein. Diese grüne Energie kann dann als Wärme zum Heizen des Quartiers über einen längeren Zeitraum genutzt werden und so fossile Energieträger verdrängen.

Vattenfall setzt bei der Wärmewende und dem damit verbundenen Kohleausstieg in Berlin bis 2030 auf den Energie- und Technologiemix aus Strom aus erneuerbaren Energiequellen, Stadtwärme, individuellen Energielösungen und Wärmespeichern der neuesten Generation.