Eine neue Studie des Lehrstuhls für Energieverfahrenstechnik der Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) beschäftigt sich mit der Vision, mit Hilfe von PV-Strom im Sommer Wärme saisonal zu speichern, um diese im Winter in regionalen Nah- und Fernwärmenetzen zu nutzen. Die Untersuchung zu PV-Strom und Wärmespeicher unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Jürgen Karl hat der Regionalversorger N-Ergie in Auftrag gegeben. Dabei geht es um die Untersuchung verschiedener Technologien zur langfristigen Wärmespeicherung und der Bewertung deren Wirtschaftlichkeit. Ein Technologiescreening zeigt nach Mitteilung von N-Ergie auf, welche Technologien geeignet sind, Schwankungen zwischen Sommer- und Wintermonaten auszugleichen oder zumindest Dunkelflauten mit einer Dauer von ein bis zwei Wochen effektiv zu überbrücken.

Der Studie zufolge stehen für die saisonale Wärmespeicherung im Gigawattstunden-Bereich – beispielsweise für Fernwärmenetze kleinerer Städte – ausreichend erprobte Technologien zur Verfügung. Insbesondere in Skandinavien sind diese bereits im Einsatz. Kernproblem sei neben der Rentabilität aber der Flächenbedarf großer Speicher. Die Studie zeige unter anderem, dass eine Wärmespeicherung mit Niedertemperaturspeichern über einen Zeitraum von bis zu einem Monat wirtschaftlich realisierbar sei. Niedertemperaturspeicher (zwischen 20 und 60 Grad Celsius) würden in diesem Fall als Wärmequellen für Wärmepumpen dienen. Dafür würde überschüssiger Strom aus dem Sommer, zum Beispiel aus der PV-Einspeisung, zunächst durch das Beheizen von Warmwasser-Reservoirs gespeichert und im darauffolgenden Winter genutzt, um die Wärmepumpen zu betreiben.

„Wärmespeicher sind der Schlüssel, um die zukünftige Wärmeerzeugung mit erneuerbaren Energien unabhängig von Wetter und Jahreszeit zu machen. Insbesondere Niedertemperaturspeicher sind hier auf Grund der vergleichsweise geringen Investitionskosten vielversprechend“, so Karl.

Welche Speicher sind am kostengünstigsten?

Eine weiter Studie der Fakultät Maschinenbau und Versorgungstechnik der Technischen Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm hat sich mit Wirtschaftlichkeit beschäftigt. In der Untersuchung geht es darum, wie die N-Ergie ihre Versorgungsaufgabe durch einen möglichen Speichereinsatz in Zukunft am kostengünstigsten erfüllen kann.

Grundlage der Analysen bildet das Ziel des Unternehmens, in den nächsten Jahren die Fernwärmeerzeugung durch verschiedene Bausteine – wie Großwärmepumpen, einem Altholz-Heizkraftwerk, (industrieller) Abwärme, Erdwärme oder Wasserstoff – zu dekarbonisieren und gleichzeitig die Anzahl der versorgten Abnehmer*innen zu erhöhen.

Dabei nahm die Studie Kostenabschätzungen bei unterschiedlichen Speichervarianten sowie Prognosen zur Speicherbewirtschaftung in einem beispielhaften Zeitraum und den darin herrschenden Marktgegebenheiten vor.

„Ein Speicher bietet wirtschaftliche Vorteile für die versorgte Stadt, solange die damit möglichen Einsparungen durch Wärmeproduktion auf Vorrat in kostengünstigen Phasen die Mehrkosten für Bau und Betrieb des Speichers übertreffen“, sagt der verantwortliche Prof. Dr.-Ing. Matthias Popp.

Die Studie ermittelte die Speichergröße, mit der größten zu erwartenden Kosteneinsparung für die zukünftige Fernwärmeversorgung Nürnbergs. Es zeigt sich dabei eine große Abhängigkeit von den bauartbedingten Herstellungskosten und den kalkulatorischen Anforderungen wie Abschreibungsdauer und Zinssätze. Niedrigere Speicherkosten liefern das größte Einsparpotenzial bei größeren Speicherkapazitäten.

Dunkelflauten überbrücken

Die Bandbreite der wirtschaftlichsten Speichergröße sei beachtlich. Sie erstreckt sich von einer Kapazität zur Deckung des Wärmebedarfs für rund einen Tag – wie bei Systemen des bestehenden Wärmespeichers in Nürnberg-Sandreuth – bis hin zu einem Vielfachen dieser Kapazität, um mehrere Wochen zu überbrücken. Hier kommen kostengünstigere Konzepte zum Tragen, die – ähnlich wie die bekannten Systeme in Skandinavien – allerdings viel mehr Fläche erforder

Hintergrund für die Studien sind die so genannten Dunkelflauten, also Phasen, in denen die Sonne kaum scheint und der Wind nur schwach weht. Sie dauerten laut N-Ergie zwischen zwei und zwölf Tagen und kommen mehrmals pro Wintersaison vor. Energieversorger stünden dann vor der Herausforderung, solche Phasen mit wenig Strom aus erneuerbaren Energien und damit hohen Strompreisen überbrücken zu müssen.

„Wärmespeicher helfen dabei, diese Phasen zu überbrücken, die Wärmeversorgung zu sichern und auch erneuerbare Energien zu integrieren. Mit unserem bestehenden Wärmespeicher auf dem Kraftwerksgelände Nürnberg-Sandreuth konnten wir in den letzten zehn Jahren bereits gute Erfahrungen sammeln und Ökostromschwankungen ausgleichen“, sagt Norman Villnow, Geschäftsführer der N-ERGIE Kraftwerke GmbH. „Er ist aber leider nur ein vergleichsweise kleiner Baustein, wenn es darum geht, Dunkelflauten zu überbrücken und in Phasen mit hohem Wärmebedarf zu unterstützen. Die Studien von FAU und Ohm geben uns eine gute Orientierung für weitere Planungen.“

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