Das saisonale Wärmespeicherkraftwerk

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

Grundidee

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:

Neuheitsgrad gegenüber dem Stand der Technik

Der Gedanke, Strom in Wärme zu verwandeln, als Wärme zu speichern und später wieder zu einem Teil in Strom und zu einem Teil in Wärme geringeren Temperaturniveaus zu verwandeln ist nicht neu. Derzeit laufen unterschiedliche Pilotprojekte, beispielsweise das EU-finanzierte CHESTER-Projekt. Die meisten dieser Projekte sind jedoch lediglich auf einen Speicherzeitraum von einigen Wochen ausgelegt. Das liegt am vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau: Mit Wärmepumpen aufgeheizte Speicher bewegen sich im Bereich von bis zu 150°C und können somit nur mit speziell für so niedrige Temperaturen optimierten Wärmekraftmaschinen genutzt werden.
Mit Heizwiderständen aufgeheizte Flüssigsalzspeicher können bis zu 560°C erreichen und kommen damit zwar an die Frischdampftemperatur üblicher Dampfturbinenkraftwerke heran, wie beispielsweise in einem Projekt des DLR verfolgt, in dem Kohlekraftwerke nachgenutzt werden sollen. Für die Verwendung also als sogenannter sensibler Speicher, der durch Aufheizen auf höhere Temperatur Wärme aufnimmt und durch Abkühlen auf geringere Temperatur wieder abgibt bleibt also wenig Spielraum, muss doch zumindest ein Teil des Speichermaterials immer heißer sein, als die zu erzielende Dampftemperatur. Eine Alternative sind latente Wärmespeicher, die durch Schmelzprozesse oder andere chemisch-physikalische Phasenänderungen ohne wesentliche Temperaturänderung Wärme aufnehmen und abgeben können. Diese sind jedoch verfahrenstechnisch aufwändig, etwa im Umgang mit erstarrenden Substanzen.

Von diesen bisher verfolgten Ansätzen unterscheidet sich das hier vorgeschlagene saisonale Wärmespeicherkraftwerk in folgenden Punkten:

Die Speicheranlage soll aus möglichst einfachen, bewährten und chemisch unbedenklichen Komponenten bestehen. Geringe spezifische Kosten sind nicht nur bezogen auf die Speicherkapazität wünschenswert, sondern insbesondere bezogen auf die Einspeicherungsleistung: Das Wärmespeicherkraftwerk soll auch dann möglichst kosteneffizient arbeiten, wenn in kurzen Zeiträumen hohe Leistungen in den den Speicher eingebracht werden, die Anlage einspeicherungsseitig also auf nur wenige Volllaststunden pro Jahr kommt.
Das Wärmespeicherkraftwerk soll auf einen saisonalen Betrieb ausgelegt werden, also zum Ausgleich der mit dem Ausbau der Photovoltaik zunehmenden Schwankungen der Stromaufbringung übers Jahr beitragen, nicht nur über kürzere Zeiträume.

Lösung der Herausforderungen hoher Temperaturniveaus

Ein günstiges und in chemischer Hinsicht unproblematisches Speichermedium sind Magnesiumoxidziegel, die mit primitiven Heizwiderständen auf bis zu 1200°C aufgeheizt werden können. Nicht so unproblematisch ist jedoch die Verwertung so hoher Temperaturen, denn die konventionelle Kombination von Wasserdampf und Stahlrohren ist nur bis maximal 700°C anwendbar. Darüber gibt es keine praxistauglichen und umweltsicheren Wärmeüberträgermedien. Um dennoch eine möglichst große Spannweite zwischen den Temperaturen eines aufgeheizten und eines ausgekühlten Speichers nutzen zu können und dadurch den nutzbaren Wärmeinhalt des Speichers zu erhöhen ist ein System aus zwei verschiedenen Arten von Speicherblöcken vorgesehen:

Ein Primärspeicher besteht aus Magnesiumoxidziegeln und Heizwiderständen und kann bis auf die Maximaltemperatur des Speichermaterials aufgeheizt werden (abzüglich einer gewissen Sicherheitsmarge für ungleiche Temperaturverteilung).
Die Wärmetauscherrohre des Dampferzeugers verlaufen hingegen in einem etwas kühleren Sekundärspeicher, in dem die zulässige Temperatur der Kombination von Dampf und Stahl nicht überschritten wird.
Zwischen Primär- und Sekundärspeicher befindet sich eine einstellbare Zwischenisolierung, beispielsweise aus schwenkbaren Platten aus isolierendem Material mit Verspiegelung zur Abhaltung von Wärmestrahlung.

Im Sommer ist die Zwischenisolierung so geschlossen, dass möglichst wenig Wärme vom Primärspeicher an den Sekundärspeicher übertragen wird. Wenn dennoch die Temperatur des Sekundärspeichers zu hoch zu werden droht muss das Kraftwerk über kurze Zeiträume in Betrieb genommen werden, in diesem Fall würde es auch als Kurzzeitspeicher dienen, etwa für windschwache Abendstunden.

Je mehr Leistung im Herbst und Winter benötigt wird und umso mehr die Temperatur im Primärspeicher absinkt, umso weiter wird die Zwischenisolierung geöffnet um genügend Wärmetransfer vom Primär- zum Sekundärspeicher zu ermöglichen. Aufgrund der Wärmekapazität des Sekundärspeichers muss dabei nicht die maximale thermische Spitzenleistung des Kraftwerks zwischen Primär- und Sekundärspeicher übertragen werden können sondern lediglich die mittlere Leistung über einige Stunden oder Tage.

Am Ende des Winters sind sowohl Primär-, als auch Sekundärspeicher sehr ungleich ausgekühlt: An jenem Ende, an dem der vom Dampfkraftwerk kommende Rücklauf in den Speicher eintritt kann dieser bis auf etwas mehr als die Kondensattemperatur abkühlen, am anderen Ende muss seine Temperatur noch über der Frischdampftemperatur liegen.

Zum Ende der Heizsaison bzw. des Mangels an solarer Stromerzeugung verbleibt also gegenüber dem Temperaturniveau der Umgebung noch eine wesentliche ungenutzte Wärmemenge im Speicher. Diese könnte auf folgende Weisen genützt werden:

Falls dies anlagentechnisch möglich ist könnte das Dampfkraftwerk mit geringerer Frischdampftemperatur und entsprechend geringerer Leistung und geringerem mechanisch-elektrischen Wirkungsgrad laufen.
Die fehlende Temperaturdifferenz zwischen Speicher- und Frischdampftemperatur könnte durch gezielten Einsatz von Biomasse oder grünem Gas ergänzt werden.
Die restliche Wärme wird ohne Kraft-Wärme-Kopplung nur noch für Fernwärme herangezogen. Dies könnte insofern praktikabel sein, als in den Monaten Februar und März zwar noch stark geheizt werden muss, dank zunehmender Sonneneinstrahlung aber bereits mehr Photovoltaikstrom erzeugt wird.

Beispielrechnung für einen konkreten Standort: Wien Simmering

Zur Abschätzung konkreter Kennzahlen eines saisonalen Wärmespeicherkraftwerks wurde eine Realisierung am Standort des Kraftwerks Wien-Simmering angenommen. Im Bereich der bisher dort vorhandenen Brennstofftanks könnte ein prismatischer Speicherkörper von etwa 50.000 m² Grundfläche untergebracht werden. Die Höhe wurde inklusive Isolierung 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.

Unter der Annahme, dass 70% des Speichervolumens (ohne Außenisolierung gerechnet) auf die Primärspeicherblöcke entfallen, 20% auf die Sekundärspeicherblöcke und 10% nicht nutzbares Volumen sind, so ergibt sich aus den oben dargestellten Temperaturverhältnissen und der Wärmekapazität des Speichermaterials ein saisonal schwankender Wärmeinhalt des Wärmespeicherblocks von 5.200 TJ, davon könnten 1.800 TJ an elektrischer Energie und 2.950 TJ für Fernwärme genutzt werden. Bei einer elektrischen Kraftwerksleistung von 300 MW und einer Fernwärmeleistung von 490 MW würde der Wärmespeicher für 1.700 Volllaststunden im Jahr reichen, das Kraftwerk könnte also rechnerisch während 19% des gesamten Jahres auf voller Leistung laufen bzw. bei zeitweisem Teillastbetrieb entsprechend länger.
Wird der Wärmespeicher außen mit einer 5m dicken Schicht aus Hochofenschaumschlacke isoliert so ergibt sich ein Wärmeverlust von 300 TJ pro Jahr oder 6% des Wärmeinhalts. Um auf die zuvor beschriebene Ausbeute an nutzbarem Strom und Wärme zu kommen müssen also diese 300 TJ elektrische Energie jährlich zusätzlich in den Speicher eingebracht werden.
Quellen, Annahmen und Rechenweg dieser beispielhaften Auslegung sind hier tabellarisch dargestellt.

Die mögliche Rolle saisonaler Wärmespeicherkraftwerke in der dekarbonisierten Energiewirtschaft

Ergänzung anderer Speichertechnologien

Wärmespeicherkraftwerke 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 sowie Reverse-Charging vorhandener batterieelektrischer Fahrzeuge)
Schwungradspeicher
Druckluftspeicherkraftwerke

Diese Speichertechnologien haben gegenüber dem Wärmespeicherkraftwerk 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 Wärmespeicherkraftwerks 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 0,6 MJ/l aus, das ist etwa die halbe Energiedichte eines Lithium-Ionen-Akkus. Ein Pumpspeicherkraftwerk, das pro Stauseevolumen eine ähnliche elektrische Energiedichte erreichen sollte, müsste rein rechnerisch eine Fallhöhe von über 60.000 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 Wärmespeicherkraftwerke 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, synthetisches 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 Wärmespeicherkraftwerk Lösungsansätzen auf Basis von Wasserstoff oder synthetischem Methan hinsichtlich des Geseamtnutzungsgrades für Stromerzeugung und Raumheizung 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 Wasserstoffverdichtung bzw. -verflüssigung oder Methansynthese naturgemäß nicht für Raumheizung, sondern bestenfalls für Prozesswärme auf niedrigem Temperaturniveau genutzt werden können.
In geringerem Ausmaß ist die Produktion von Wasserstoff und synthetischen Kohlenwasserstoffen aus Überschussstrom dennoch zweckmäßig: in erster Linie als Rohstoffe für Stahlerzeugung und chemische Industrie sowie als Treibstoffe für Nischenanwendungen wie den verbleibenden Flugverkehr ("SynFuels"), vereinzelt für Kraft-Wärme-Kopplung und keinesfalls für konventionelle Gasheizungen.

Möglicher zeitlicher Verlauf des Einsatzes von Wärmespeicherkraftwerken

Dadurch, dass die stärksten Stromerzeugungsspitzen über einfache Heizwiderstände in Hochtemperatur-Wärmespeicher geleitet werden können die 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.
Obwohl die Nutzung von Biomasse aus nachhaltigem Anbau langfristig CO₂-neutral ist würde es kurz- und mittelfristig mehr zur Reduktion des CO₂-Gehalts der Atmosphäre beitragen, Biomasse als langlebigen Baustoff aus dem Kohlenstoffkreislauf zu entnehmen.
Aus Raubbau an Wäldern gewonnene Biomasse oder die Umwandlung naturnaher Wälder in Biomassekulturen ist nicht CO₂-neutral.

Wärmedämmung weiterhin notwendig

Ob von Wärmespeicherkraftwerken 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 Wärmespeicherkraftwerke 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 Wärmespeicherkraftwerke 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 Wärmespeicherkraftwerken und Biomasse-Heizkraftwerken, oder mit Wärme aus Wärmepumpen versorgt werden könnte, was jedoch naturgemäß mit doppelten Investitionskosten verbunden wäre.