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06 | 2019

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Energiespeicher den

Energiespeicher den wissenschaftlich. Aktuell wird im Projekt „PCM-Demo II“ eine Reihe von Gebäuden mit PCM-Systemen ausgestattet und über einen längeren Zeitraum vermessen. Ziel ist die Erfassung von Energieeinsparpotenzialen von PCM-Systemen unter Realbedingungen [61]. Das Projekt „PCM-Metro 2“ beschäftigt sich im Wesentlichen mit der thermischen Charakterisierung von PCM unter dynamischen Gesichtspunkten sowie der Bestimmung von Alterungseffekten. Die Entwicklung entsprechender Mess- und Analyseverfahren, die dann auch Eingang in Prüfstandards (zum Beispiel RAL-Gütegemeinschaft PCM) finden können, steht im Vordergrund. Das Projekt „PCM-Eval“, das federführend vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE bearbeitet wird, evaluiert PCM-Systeme, die bereits einige Jahre in Gebäuden integriert sind. Neben Alterungseffekten stehen auch Fragestellungen wie Nutzerakzeptanz und Performance beziehungsweise Optimierungspotenziale im Fokus [62]. Quartiere haben zunehmend den Fokus auf Wärmeversorgung und beziehen die Wärmespeicherung in die Planungen mit ein. Bundesseitig wird die Sanierung von Quartieren seit 2011 durch das vom Bundesbauministerium verantwortete und von der KfW verwaltete Programm „Energetische Stadtsanierung“ gefördert. Insgesamt 63 Projekte sind auf der Projektseite gelistet [63], zwölf davon als Stellvertreterprojekte ausgewiesen, anhand derer eine vertiefende Untersuchung zu den Prozessen der energetischen Stadtsanierung ermöglicht wird. Vier dieser Projekte verfügen über eine quartiersbezogene Wärmeversorgung. Drei Projekte planen eine umfassende Wärmeversorgung mit erneuerbaren Energien und entsprechenden Wärmespeichern im Portfolio. Am weitesten fortgeschritten unter diesen Projekten ist das Chemnitzer Quartier Brühl, das eine 2 100 m 2 große Solarthermieanlage sowie einen Pufferspeicher mit 1 000 m 3 seit 2016 betreibt [64]. Die beiden anderen Projekte, das Quartier Celle Heese Nord sowie das Quartier Prenzlau Innenstadt, konzeptionieren die Wärmeversorgung jeweils unter Einbezug eines geothermischen Speichers. Am Campus Melaten in Aachen ist im Januar 2019 auf dem Gelände der ehemaligen Müllverbrennungsanlage der RWTH Aachen ein 10-MW-BHKW in Betrieb genommen worden, das durch einen 680 m 3 Wasserspeicher unterstützt wird. Die Anlage versorgt den Campus als Quartier mit Strom und Wärme und speist zusätzlich Wärme in das Wärmenetz der Stadt Aachen ein. Die Stadt plant weitere Konzepte dieser Art, da zum einen vor allem an der Hochschule der Wärmebedarf wächst, zum anderen perspektivisch die Fernwärmelieferungen aus dem Kraftwerk Weisweiler ersetzt werden müssen [65]. Mobile Wärme Neben den stationären Anwendungen werden Wärmespeicher auch mobil verwendet. Das Unternehmen LaTherm hat bereits 2007 das Konzept der mobilen La - tentwärmespeicherung mittels Wärmecontainern zur Marktreife gebracht. Wesentliche Wärmequellen für den mit Salzhydraten gefüllten Speicher waren Biogasanlagen und Industrieabwärme. Nutzer waren Wärmenetze, an denen größere Abnehmer wie Schwimmbäder, Logistikzentren oder Schulen angeschlossen waren. Das LaTherm-Patent hält derzeit die neugegründete Firma German Energy Valley [66]. Im Rahmen der nationalen Klimaschutzinitiative des Bundesumweltministeriums werden derzeit drei Projekte gefördert, die das Prinzip der mobilen latenten Wärmespeicherung nutzen. Eines davon ist das von der Klimaschutzagentur Hannover begleitete Projekt „Wärme to Go“ [67]. Hier fährt man mit den noch existierenden LaTherm-Containern die Wärme einer Deponie in Lahe ins nahegelegene Schulzentrum Isernhagen. Mit weiteren Projekten dieser Art finden regelmäßig Austauschtreffen statt [68]. Aus dem Starterzentrum der Universität Saarbrücken heraus hat sich das Start-up Kraftblock (früher Nebuma) gegründet. Hier wird ein aus zu 85 % aus Recyclingmaterial bestehendes Granulat entwickelt, das, in handelsübliche Container gepackt, Wärme bis zu 1 300 °C speichern kann. Bei einem Pilotprojekt in St. Ingbert, bei einem Schleifscheibenhersteller mit 1 300 °C Ofenbetrieb, wurde ein 3-MWh-Granulatspeicher installiert. Es konnte der erfolgreiche Betrieb eines solchen mobilen Hochtemperaturspeichers demonstriert werden [69]. Das Unternehmen Jekusol, ein 2016 in Jena gegründetes Start-up mit Entwicklung und Produktion von Wärmespeichern auf PCM-Basis, bietet die latente Wärmespeicherung in Standardcontainern an. Die Speichertemperatur beträgt 86 °C, und es können etwa 1,5 MWh Wärme gespeichert werden. Damit lassen sich beispielsweise Baustellen beheizen oder Trocknungsprozesse unterstützen [70]. Interessantes Beispiel für die mobile Speicherung mittels Sorption ist ein Vorhaben mit dem Namen „MobS“ an der Müllverbrennungsanlage (MVA) in Hamm, da hier neben der technischen Machbarkeit auch die Wirtschaftlichkeit überprüft wurde. Im Jahr 2013 wurde dort im Rahmen eines vom Bund mitfinanzierten Projekts eine Demonstrationsanlage aufgebaut, die aus einer Ladestation an der MVA, einer Entladestation bei der Firma Jäckering Mühlen und Nährmittelwerke und zwei mobilen Containern zur Wärmespeicherung besteht. Die beiden mobilen Container wurden ein Jahr lang zwischen Wärmelieferant und Wärmeabnehmer eingesetzt. Die Wärmegestehungskosten wurden für die erste Demo- Anlage mit 154 €/MWh angegeben. Weitere Optimierungsmaßnahmen, wie Anpassung von Temperatur, Speichermaterial und Verkürzung der Beladungszeiten, ermöglichen eine Halbierung der Kosten. Kann die Abwärme kostenlos abgegeben werden, können nochmals etwa 10 % der Kosten reduziert werden. Mit diesen 67 €/MWh ist man jedoch immer noch nicht konkurrenzfähig zum Gaspreis von derzeit um die 28 €/MWh. Das Projekt wurde 2015 vom ZAE Bayern planmäßig mit dem Abschlussbericht beendet [71]. Einen anderen Aspekt der mobilen Wärmebereitstellung liefert das Thema Elektromobilität. Das Konzept DuoTherm, entwickelt von Wissenschaftlern des Instituts für Fahrzeugkonzepte des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart in Kooperation mit dem Institut für Materialphysik im Weltraum am DLR Standort Köln sowie der Audi AG und dem ZAE Bayern, verringert den Einfluss der Innenraumheizung auf die elektrische Reichweite von Elektrofahrzeugen bei niedrigen Außentemperaturen durch den Einsatz thermischer Speicher [72]. Im Kern geht es hier um die Erforschung metallischer Hochtemperatur-Latentwärmespeicher in Kombination mit einem Niedertemperaturspeicher mit konventionellen PCM-Materialien. Mit MAN als Kooperationspartner wird überdies geprüft, inwiefern ein Einsatz dieser Speicher in vollelektrischen Stadtbussen möglich ist [73]. Eine ähnliche Zielsetzung hat das vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) geförderte Projekt „Heat2Go“ vom Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI in Dresden mit einem Konsortium. Hier liegt der Fokus auf der Beheizung von vollelektrischen Stadtbussen. Paraffinbasierte PCM sollen als Schnellladewärmespeicher binnen sechs Minuten parallel 44 BWK Bd. 71 (2019) Nr. 6

Energiespeicher zum elektrischen Ladevorgang gefüllt werden können. Das Projekt läuft noch bis September 2019 [74]. Industrie, Kraftwerke und Fernwärmenetze Beispiele für Wärmespeicher in der Industrie sind unter anderem Regeneratorspeicher oder Speicher im Winderhitzer im Bereich der Metallurgie oder der Zementherstellung. Im Kraftwerk werden diese Speicher ebenfalls als Regeneratorspeicher zur Flexibilisierung von GuD- Anlagen verwendet oder, um KWK-Anlagen zu flexibilisieren und eine stromgeführte Fahrweise zu ermöglichen. Immer öfter werden dabei die KWK-Anlagen durch PtH-Anlagen ergänzt. Speziell in den Netzausbaugebieten bietet der § 13 Abs. 6a EnWG hierzu auch wirtschaftliche Anreize, indem der ausgefallene KWK-Strom vergütet, der abgenommene „Überschussstrom“ kostenlos zur Verfügung gestellt und die Investition in die PtH-Anlage vom Übertragungsnetzbetreiber bezahlt wird. Aktuell wird am Kraftwerksstandort Wellesweiler (Baujahr 2002) im Saarland ein Latentwärmespeicher in Betrieb genommen, der im September 2018 errichtet wurde. Dieser Wärmespeicher auf Salzbasis mit 6 MW Leistung liefert für 15 Minuten Wärme für diverse Industriekunden. An diesem Hochtemperaturspeicher (300 °C, 26 bar) soll neben den technischen Parametern auch die Wirtschaftlichkeit untersucht werden. Konkret ersetzt dieser Speicher dauerhaft in Mindestlast stehende Dampfkessel, die dann bei Bedarf aus der Warmhaltung heraus den Speicher nach 15 Minuten ablösen können [75]. Das seit 2013 laufende Projekt wird vom BMWi gefördert [76]. Von den Stadtwerken Duisburg wurde im Jahr 2018 ebenfalls ein Wärme - speicherprojekt an einem GuD-Standort umgesetzt: In Wanheim wurde ein 1 450 MWh beziehungsweise 43 800 m 3 großer sensibler Wärmespeicher errichtet, der mit Wasser als Speichermedium und mit 115 °C in einem drucklosen Behälter betrieben werden kann. Möglich macht das die Zwei-Zonen-Technologie, entwickelt vom schwedischen Ingenieur Anders Hedbäck und patentrechtlich im Besitz der Firma Bilfinger VAM [77]. Erstmalig wurde dieses Speicherkonzept großtechnisch 2013 in Nürnberg umgesetzt. Der dortige Speicher (33 000 m 3 , 1 500 MWh) flexibilisiert die Wärmeauskopplung des Heizkraftwerks Sandreuth und kann zudem über zwei PtH-Anlagen mit je 25 MW örtliche Stromüberschüsse aufnehmen [78]. In Kiel wird im Zuge der Neuerrichtung eines Gasmotorenkraftwerks ebenfalls ein Wärmespeicher mit Zwei-Zonen-Technologie gebaut (Bild 13). Das BHKW ersetzt das bisher für die Strom- und Wärmebereitstellung zuständige GuD-Kraftwerk auf Kohlebasis. Dieser Warmwasserspeicher mit einem Nutzvolumen von 30 000 m 3 beziehungsweise 1 500 MWh flexibilisiert zum einen den Gasmotorenteil, zum anderen den Anlagenteil des Elektrokessels, der am Regelenergiemarkt teilnimmt. Die gesamte Anlage soll 2019 im Portfolio der Stadtwerke Kiel in Betrieb gehen [79]. Weiterhin ist in Heidelberg geplant, einen weiteren Wärmespeicher mit Zwei-Zonen-Technologie im Energiepark Pfaffengrund einzubauen [80]. Dazu wurde im Rahmen der Heidelberger Initiative IBA Heidelberg ein Designwettbewerb ausgerufen. Der Siegervorschlag befindet sich aktuell im Bau und könnte noch in diesem Jahr in Betrieb gehen. Auch dieser 12 500 m 3 große Zweizonen-Speicher kann mit bis zu 115 °C betrieben werden. Für die Wärmeversorgung wird es zukünftig wichtig werden, im Sommer nicht benötigte (erneuerbare) Wärme in die Wintermonate zu verschieben. Diese saisonale Wärmespeicherung kann über Behälter, Erdbecken, Erdsonden oder im Aquifer realisiert werden. In Deutschland gibt es hierzu einige von der öffentlichen Hand geförderte Pilotprojekte, die in den Jahren 1985 bis 2010 durchgeführt wurden [81]. Bekannt hiervon ist zum Beispiel der Aquiferwärmespeicher unter dem Deutschen Bundestag. Ähnlich zu diesem Projekt soll ein neuer Wärmespeicher in Hamburg entstehen. Auch das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) soll für Baden- Württemberg das Potenzial solcher Aquiferwärmespeicher untersuchen [82]. In den Niederlanden ist dieses Prinzip längst verbreitet. Dort wird in bereits über 1 800 Anlagen saisonale Wärme und solche aus Industrieprozessen gespeichert [82]. Einen anderen Ansatz der Wärmespeicherung für die Überbrückung längerer Zeiträume ohne regenerative Stromeinspeisung liefern Hochtemperaturspeicher (siehe Kapitel „Forschung“). Beispielsweise könnten Wärmespeicher auch als Langzeitstromspeicher zur Überbrückung von „Dunkelflauten“ eingesetzt werden. Dies wäre eine technische Alternative zu Power-to-Gas (PtG)-Konzepten. Ein Beispiel eines solchen PtH-to-Power-Konzeptes ist in Bild 14 dargestellt. Bild 13 Zweizonen-Wärmespeicher nach dem Hedbäck-Prinzip. Forschung Die Forschung im Bereich Wärmespeicher konzentriert sich zum einen auf Systemintegration mit konkreten Einbindungsmöglichkeiten verschiedener Wärmespeicher in Gebäude, Energieerzeugungsanlagen und Wärme-/Kältenetze und zum anderen auf Grundlagen der Material- und Prozessentwicklung zur Steigerung der Effizienz von Speichern. Die Energie-Forschungsnetzwerke [83] „Energiewendebauen“ und „Flexible Energieumwandlung“ bilden wichtige Austauschplattformen zum Stand der wissenschaftlichen Arbeiten. Das im Oktober 2018 veröffentlichte 7. Energieforschungsprogramm adressiert im Rahmen der Abschnitte „Energiewende in den Verbrauchssektoren“ sowie „Energieerzeugung“ Wärmespeicher explizit. Ziel der Forschung sollen im Verbrauchssektor Kostensenkung, Effizienzsteigerung der Energiewandlung, Erhöhung der Zuverlässigkeit und Sicherheit sowie die beschleunigte Integration von Speicherlösungen sein. Im Erzeugungsbereich sollen speziell Wärmespeicher der nächsten Generation entwickelt werden, mit Schwerpunkt auf Materialforschung für große thermische und thermochemische Speicher für den Einsatz an Kraftwerksstandorten sowie für die Kombination mit solarthermischen Anlagen [84]. Die aktuelle Liste des Internetportals EnArgus, das über laufende und abgeschlossene Forschungsvorhaben rund um Bild: Stadtwerke Kiel BWK Bd. 71 (2019) Nr. 6 45

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