Das saisonale Speicherwärmekraftwerk

Aufgabenstellung: Speicherung elektrischer Energie für die Dunkelflaute

Um den Klimawandel zu stoppen müssen fossile Energieträger vollständig durch erneuerbare Energieträger ersetzt werden. Die größten noch nicht ausgeschöpften, technologisch ausgereiften und umweltverträglich umsetzbaren Potenziale erneuerbarer Energieträger zur Stromerzeugung entfallen auf Windkraft und Photovoltaik, deren Aufkommen aber zeitlich ungleichmäßig und nicht steuerbar ist. Während in Bezug auf den Gesamtenergieverbrauch große Einsparungspotenziale bestehen, etwa bei Wärmedämmung und energieeffizienten Mobilitätskonzepten wie öffentlichem Verkehr oder Leichtfahrzeugen, stehen beim Stromverbrauch relativ begrenzte Einsparungspotenziale einem großen zusätzlichen Bedarf gegenüber, der auf die Umstellung von Verbrennungs- auf Elektromotoren oder von Heizkesseln auf elektrische Wärmepumpen zurückzuführen ist. Innovationsbedarf besteht daher nicht nur zur Nutzung von Überschussstrom zu Sommerzeiten mit hohem Wind-, Sonnen- und Wasserkraftaufkommen, sondern auch zur ausreichenden Bereitstellung elektrischer Energie an länger andauernden, wasserarmen Dunkel- oder Nebelflautephasen im Winter.

Lösungsvorschlag: Hochtemperaturspeicher und Dampfkraftwerk

Grundprinzip

Ausgangspunkt für die Errichtung eines saisonalen Specherwärmekraftwerks ist ein konventionelles Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung, das vorwiegend im Winter in Betrieb ist um gleichzeitig sowohl die fehlende Stromaufbringung aus erneuerbaren Quellen zu kompensieren, als auch Fernwärme zu produzieren:

Während der in der Abbildung rechts gezeichnete Dampfturbinen-Teil des konventionellen Kraftwerks bestehen bleibt, wird der links gezeichnete Gasturbinen-Teil durch eine große Wärmespeichermasse ersetzt, die im Sommer mit erneuerbarem Überschussstrom und einfachen Heizwiderständen auf hohe Temperaturen aufgeheizt wird:

Diese Wärmespeichermasse ersetzt im Winter den bisherigen Gasturbinenblock als Wärmequelle für das Dampfturbinenkraftwerk, welches wie bisher Strom und Fernwärme produziert:

Beispielhafte Auslegung

Zur Abschätzung konkreter Kennzahlen eines saisonalen Speicherwärmekraftwerks wurde eine Realisierung am Standort des Kraftwerks Wien-Simmering angenommen. Im Bereich der dort vorhandenen Brennstofftanks könnte ein quaderförmiger Wärmespeicher von 250 m Länge und 125 m Breite untergebracht werden. Die Höhe wurde mit 70 m angesetzt, wenn der Speicherblock beispielsweise 20 m tief ins Erdreich versenkt wird verbleiben 50 m sichtbare Höhe, das ist ein Viertel der derzeitigen Schornsteinhöhe des Kraftwerks.

Als Wärmespeichermedium kommen Magnesiumoxidziegel mit einer zulässigen Höchsttemperatur dieses Materials von 1200°C in Frage. Zusammen mit den Frischdampf- und Kondensattemperaturen des Wärmekraftwerks ergeben sich folgende Temperaturzustände des maximal aufgeheizten und maximal ausgekühlten Speichers:

Die Rohrleitungen durch den Speicher verlaufen so, dass der Dampf von außen nach innen strömend kontinuierlich aufgeheizt wird, sodass der Speicher in der Mitte am heißesten bleibt und außen am meisten abkühlt.
Als Isoliermaterial erscheint Hochofenschaumschlacke geeignet, die Dicke der Isolierschicht wurde mit 5m angenommen.
Aus diesen Kennwerten ergibt sich ein saisonal schwankender Wärmeinhalt des Wärmespeicherblocks von 4.100 TJ, davon könnten 1.450 TJ an elektrischer Energie und 2.350 TJ für Fernwärme genutzt werden. Bei einer elektrischen Kraftwerksleistung von 300 MW und einer Fernwärmeleistung von 490 MW würde der Wärmespeicher für 1.350 Volllaststunden im Jahr reichen, das Kraftwerk könnte also rechnerisch während 15% des gesamten Jahres auf voller Leistung laufen bzw. bei zeitweisem Teillastbetrieb entsprechend länger.
Quellen, Annahmen und Rechenweg dieser beispielhaften Auslegung sind hier tabellarisch dargestellt.

Die mögliche Rolle saisonaler Speicherwärmekraftwerke in der dekarbonisierten Energiewirtschaft

Ergänzung anderer Speichertechnologien

Speicherwärmekraftwerke würden der saisonalen Energiespeicherung dienen und damit folgende Speichertechnologien ergänzen, die eher für den kurz- und mittelfristigen Ausgleich von Stromaufbringung und -verbrauch über Stunden oder Tage geeignet sind:

  • Pumpspeicherkraftwerke
  • chemische Batterien (insbesondere "Second-Life"-Nutzung ausgedienter Batterien elektrischer Kraftfahrzeuge)
  • Schwungradspeicher
  • Druckluftspeicherkraftwerke

Diese Speichertechnologien haben gegenüber dem Speicherwärmekraftwerk den großen Vorteil höherer elektrischer Wirkungsgrade und sind deshalb insbesondere auch zur Stromabgabe im Sommer (beispielsweise in windstillen Abendstunden) prädestiniert, wenn kein oder nur wenig Bedarf nach Fernwärme besteht. Der Vorteil des Speicherwärmekraftwerks für die saisonale Speicherung ist hingegen, dass sowohl das mineralische Speichermedium, als auch die zur Befüllung des Speichers dienenden Heizwiderstände vergleichsweise billig, technisch einfach und frei von seltenen chemischen Elementen sind. Die Dampfturbinenkraftwerke zur Rückumwandlung der gespeicherten Wärme in Strom und Fernwärme sind bereits vorhanden. Zudem ist die Energiedichte des Wärmespeichers mit einer durchschnittlichen Temperaturspanne von über 700°C sehr hoch: Allein der elektrisch nutzbare Energieanteil macht etwa 0,9 MJ/l aus, dies liegt im unteren Bereich von Lithium-Ionen-Akkus. Ein Pumpspeicherkraftwerk, das pro Stauseevolumen eine ähnliche elektrische Energiedichte erreichen sollte, müsste rein rechnerisch eine Fallhöhe von fast 90.000 m aufweisen.

Reduktion von Belastung und Ausbaubedarf des Stromnetzes

Die Möglichkeit, bei akutem Stromüberschuss hohe elektrische Leistungen in die Heizwiderstände der Wärmespeicher zu leiten und umgekehrt bei akutem Strommangel hohe Leistungen aus den Wärmespeicherkraftwerken zu beziehen trägt zur Stabilität der Stromnetze bei und reduziert die maximal erforderlichen Übertragungskapazitäten von Überschuss- in Mangelregionen. Nachdem Speicherwärmekraftwerke im Sinne eines günstigen Volumen-Oberflächen-Verhältnisses des Hochtemperaturspeichers nur in großem Maßstab realisiert werden können, betrifft diese Entlastung nur die hochrangigen Übertragungsnetze, nicht die lokalen Verteilnetze.

Alternative zum Einsatz von Wasserstoff und synthetischen Kohlenwasserstoffen als saisonale Energiespeicher

Häufig wird propagiert, Überschussstrom aus erneuerbaren Energien zur Wasserstofferzeugung per Elektrolyse heranzuziehen und den so erzeugten Wasserstoff gegebenenfalls zu synthetischem Methan ("grünes Gas") weiterzuverarbeiten. Wasserstoff kann dann mittels Brennstoffzelle wieder zur Stromerzeugung herangezogen werden, synthetischs Methan kann wie herkömmliches Erdgas entweder in Heizungen zur Raumheizung, oder in Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen sowohl zur Strom-, als auch zur Wärmebereitstellung genutzt werden.
Diese Energieumwandlungen sind zwar technisch möglich, sie erfordern aber den Einsatz neuer und vor allem kostspieliger Umwandlungs- und Speichertechnologien, auch um den Preis des Einsatzes seltener Elemente, beispielsweise für die aktiven Katalysatoroberflächen in Brennstoffzellen. Für die Erzeugung synthetischen Methans ist ein weiterer kritischer Aspekt die geringe Verfügbarkeit von höher konzentriertem CO2 sobald keine stationären Anlagen mehr vorhanden sind, die fossile Brennstoffe verfeuern.

Im Hinblick auf die saisonale Speicherung von sommerlichem Überschussstrom zur stationären Nutzung für Wärme- und/oder Stromerzeugung im Winter ist das vorgeschlagene Speicherwärmekraftwerk Lösungsansätzen auf Basis von Wasserstoff oder synthetischem Methan klar überlegen. Das liegt daran, dass es durch die gute Isolierung und das günstige Volumen-Oberflächen-Verhältnis des großen Hochtempertur-Wärmespeichers zu geringen primären Energieverlusten kommt. Die Umwandlungsverluste im Dampfkraftwerk sind wiederum fast vollständig als Fernwärme nutzbar, während die im Sommer als Niedertemperaturwärme anfallenden Verlustanteile der Elektrolyse und und Wasserstoffverdichtung bzw. -verflüssigung oder Methansynthese naturgemäß nicht zu Heizzwecken genutzt werden können.
In geringerem Ausmaß ist die Produktion von Wasserstoff und synthetischen Kohlenwasserstoffen aus Überschussstrom dennoch zweckmäßig, allerdings nicht als Energieträger für stationäre Brennstoffzellen, Kraftwerke oder Heizungen, sondern als Rohstoffe für Stahlerzeugung und chemische Industrie sowie als Treibstoffe für Nischenanwendungen wie den verbleibenden Flugverkehr ("SynFuels").

Möglicher zeitlicher Verlauf des Einsatzes von Speicherwärmekraftwerken


Dadurch, dass die stärksten Stromerzeugungsspitzen über einfache Heizwiderstände in Hochtemperatur-Wärmespeicher geleitet werden können technologisch aufwändigen Prozesse der Elektrolyse, der Verdichtung oder Verflüssigung von Wasserstoff oder dessen Weiterverarbeitung zu synthetischen Kohlenwasserstoffen im Sommer relativ kontinuierlich über einen großen Teil des Tages laufen. Diese Kapazitäten werden dadurch mit wesentlich mehr Volllaststunden pro Jahr ausgelastet, was die Wirtschaftlichkeit dieser Anlagen wesentlich verbessert.

Ergänzende energetische Nutzung von Biomasse

Von den bisher eingesetzten erneuerbaren Energieträgern ist Biomasse am besten speicherbar bzw. lagerfähig. Es ist daher durchaus vorteilhaft, auch Biomasse einzusetzen, um das geringe Strom- und Wärmebereitstellungspotenzial anderer erneuerbarer Energieträger in den Wintermonaten teilweise zu kompensieren. Das Potenzial für den energetischen Einsatz von Biomasse ist jedoch durch folgende Faktoren limitiert:

  • Für Biotreibstoffe eigens angebaute Biomasse reduziert die für den Lebensmittelanbau verfügbare Fläche und verschlechtert daher die weltweite Nahrungsmittelversorgung
  • Das Potenzial nachhaltig nutzbarer Abfallbiomasse, die nicht zugleich Ausgangsmaterial für hochwertigen Kompost darstellt, ist begrenzt
  • Feste Biomasse wie Stückholz, Pellets oder Hackschnitzel ist einfach zu verheizen, aber nur mit höherem technischen Aufwand und geringerer Effizienz in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen zu verwerten, als flüssige oder gasförmige Biomasse
  • Flüssige oder gasförmige Abfallbiomasse wie Altspeiseöl oder Biogas ist auch als Treibstoff für Fahrzeuge gefragt, die nur schwer batterieelektrisch betrieben werden können (z.B. Traktoren, Schiffe oder manche Lkw- und Busverkehre)
  • Die energetische Nutzung von Biomasse steht auch in Konkurrenz zu ihrer stofflichen Nutzung als Alternative zu petrochemischen Rohstoffen in der chemischen Industrie.

Wärmedämmung weiterhin notwendig

Ob von Speicherwärmekraftwerken und Biomasse-Heizkraftwerken an Wintertagen mehr oder weniger Abwärme anfallen wird, als von derzeitigen Gaskraftwerken wird davon abhängen, ob der Effekt zusätzlichen Strombedarfs durch Wärmepumpen und Elektromobilität oder der Effekt von zusätzlichem Solar- und Windstrom sowie Energieeffizienzmaßnahmen in anderen stromverbrauchenden Sektoren überwiegt. Selbst bei gleich bleibendem oder moderat steigendem Abwärmeaufkommen aus der Stromerzeugung können Speicherwärmekraftwerke und Biomasse-Heizkraftwerke keinesfalls die Reduktion des Heizenergiebedarfs durch die thermische Sanierung des Baubestands und strenge Wärmedämmungsstandards im Neubau ersetzen, weil auch bisher nur ein Teil der städtischen Heizenergieversorgung auf Kraft-Wärme-Kopplung und Müllverbrennung beruht, zusätzlich werden viele Gebäude direkt mit Erdgas beheizt und auch die Fernwärme wird teilweise noch mit reinen Gas-Heizwerken ohne Kraft-Wärme-Kopplung bereitgestellt. Es ist also weiterhin notwendig, den Heizenergieverbrauch der einzelnen Gebäude massiv zu reduzieren, um mit der gleichen Wärmemenge einen größeren Teil des Gebäudebestandes heizen zu können.

Ergänzung durch Wärmepumpen und kurzfristige Wärmespeicher

Für Siedlungsräume, die sich von ihrer Bebauungsdichte her nicht für großmaßstäbliche Fernwärme eignen, aber auch für städtische Bebauung, für die nicht ausreichend Fernwärme zur Verfügung steht erscheint die Umstellung auf eine Beheizung mittels Wärmepumpen weiterhin zweckmäßig. Im Sinne einer hohen technischen Effizienz sind dafür insbesondere Erdwärmepumpen und im städtischen Raum lokal vernetzte Systeme ("Anergienetze") mit optimaler Nutzung von Erdwärmesonden und Abwärmepotenzialen vorteilhaft. Sowohl bei Fernwärme, als auch bei Wärmepumpen ist eine gewisse kurzfristige Wärmespeichermöglichkeit anzustreben, um die Wärmepumpen vorwiegend zu Stunden mit Stromüberschuss zu betreiben, die fernwärmeliefernden Speicherwärmekraftwerke hingegen zu Stunden mit Strommangel. In geringerem Maße bieten die Baumassen gut gedämmter Gebäude selbst eine Speicherkapazität, darüber hinaus können sowohl bei Wärmepumpensystemen, als auch im Rahmen des Fernwärmenetzes Warm- bzw. Heißwasserspeicher angelegt werden. Zur optimalen Anpassung des Strom- oder Wärmeverbrauchs an das jeweils vorliegende Angebot wäre es ideal, wenn ein gewisser Anteil des Gebäudebestandes wahlweise mit Wärme aus Speicherwärmekraftwerken und Biomasse-Heizkraftwerken, oder mit Wärme aus Wärmepumpen versorgt werden könnte, was jedoch naturgemäß mit doppelten Investitionskosten verbunden wäre.

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