Energiespeichersymposium Stuttgart März Wolfgang Schulz: Wärmespeicher für die Energieeffizienz

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1 Energiespeichersymposium Stuttgart März 2012 Wolfgang Schulz: Wärmespeicher für die Energieeffizienz

2 Das Bremer Energie Institut 1990 auf Initiative des Bremer Energiebeirats durch die Freie Hansestadt Bremen gegründet; anwendungsorientierte Forschung Breiter Auftraggeber-Mix : EU, Bundes-/Landesministerien, Verbände, EVU, Industrie, Städte und Kommunen, Wohnungsbaugesellschaften... Rund 20 feste Mitarbeiter/innen 1

3 Inhalt Traditioneller Einsatz von Wärmespeichern Einsatz als saisonaler Wärmespeicher Wärmespeicher im Rahmen von KWK-Anlagen Thermochemische und phasenabhängige Wärmespeicher Wärmespeicher und Wärmenetze als Rückgrat einer auf Erneuerbare Energien basierende Energieversorgung Vergleich von auf sensibler Wärme basierenden Speichern 2

4 Wärmespeichereinsatz seit langem Wärmespeicher: unscheinbares Beiwerk von Wärmeerzeugern am Heizkessel angeschlossener Warmwasserspeicher (evtl. auch für solare Brauchwassererwärmung) der Pufferspeicher eines BHKW Pufferspeicher einer elektrischen Heizungswärmepumpe große Speicher, die ein fluktuierendes Abwärmeangebot nutzbar machen Effizienz nicht das Hauptmotiv, sondern - Sammlung von Wärme zur Nutzbarmachung, - Wärme zu bestimmten Zeiten abrufbar machen, - Verschleiß der Erzeugeranlage mindern 3

5 aufkommende Hauptrolle für Wärmespeicher Sommerwärme für die Heizperiode nutzbar machen Ende der 70er Jahre in Schweden erste saisonale Speicher in Betrieb gravierende Schwachpunkte m.e.: die Wärmegestehungskosten viel zu hoch der solare Deckungsbeitrag enttäuschend gering der Hilfsenergieaufwand zu hoch ist aber das Interesse ließ nicht nach (gibt es bessere Speicherkonzepte?) praktische Beispiele dann auch in Deutschland 4

6 aufkommende Hauptrolle für Wärmespeicher Quelle: Rainer Tamme: Thermische Energiespeicher - Potential, Anwendungen und Technik, Vortrag auf der Dechema -Jahrestagung 2011, Frankfurt, auch unterirdische natürliche Hohlräume oder ehemalige Bergwerke 5

7 aufkommende Hauptrolle für Wärmespeicher erste Erfahrungen in Deutschland: saisonaler Wärmespeicher am ITW, Stuttgart (Kies-Wasser-Wärmespeicher, 1985) dann: 1. Hamburg (Tank m³ /Kollektoren m², 1996) 2. Friedrichshafen (Tank m³ /Kollektoren m², 1996) 3. Neckarsulm (Erdsondenspeicher inzwischen m³ /Kollektoren m², ab 1997) 4. Steinfurt-Borghorst (Kies-Wasser-Becken m³ /Kollektoren von 510 m², 1998) 5. Chemnitz (Kies-Wasser-Becken m³ /Kollektoren m², 2000) 6. Rostock (Aquifer m³ /Kollektoren 980 m², 2000) 7. Hannover (Tank m³ /Kollektoren m², 2000) 8. Attenkirchen (Erdsondenspeicher m³ + Kurzzeitsp. 500 m³/kollektoren 800 m², 2002) 9. München (Tank m³ /Kollektoren m², 2007) 10.Crailsheim (Erdsondenspeicher m³ + Kurzzeitsp. 580 m³ /Kollektoren m², 2007) 11.Eggenstein (Kies-Wasser-Becken m³ /Kollektoren m², 2008) 6

8 aufkommende Hauptrolle für Wärmespeicher erste Erfahrungen in Deutschland: saisonaler Wärmespeicher am ITW, Stuttgart (Kies-Wasser-Wärmespeicher, 1985) dann: 1. Hamburg (Tank m³ /Kollektoren m², 1996) 2. Friedrichshafen (Tank m³ /Kollektoren m², 1996) 3. Neckarsulm (Erdsondenspeicher inzwischen m³ /Kollektoren m², ab 1997) 4. Steinfurt-Borghorst (Kies-Wasser-Becken m³ /Kollektoren von 510 m², 1998) 5. Chemnitz (Kies-Wasser-Becken m³ /Kollektoren m², 2000) 6. Rostock (Aquifer m³ /Kollektoren 980 m², 2000) 7. Hannover (Tank m³ /Kollektoren m², 2000) 8. Attenkirchen (Erdsondenspeicher m³ + Kurzzeitsp. 500 m³/kollektoren 800 m², 2002) 9. München (Tank m³ /Kollektoren m², 2007) 10.Crailsheim (Erdsondenspeicher m³ + Kurzzeitsp. 580 m³ /Kollektoren m², 2007) 11.Eggenstein (Kies-Wasser-Becken m³ /Kollektoren m², 2008) Solardeckungsbeiträge zwischen 30 und 50% 7

9 aufkommende Hauptrolle für Wärmespeicher 8

10 aufkommende Hauptrolle für Wärmespeicher auch für Bremen war Mitte der 90er ein Projekt angedacht (Bremen-Arsten) eigene Erkenntnis: ein hoher Aufwand an Wärmeleitungen erforderlich es ist ein erheblicher Wärmepumpeneinsatz notwendig Gedanke: täte es nicht auch ein besserer Gebäudewärmeschutz? das in Richtung Aquifer-Speicher angedachte Projekt scheiterte indes an zu hohen Grundwasserströmungen aber auch klar: zentraler Großspeicher aussichtsreicher als einer je Gebäude (siehe z.b. Erfahrungen aus Dörpe) 9

11 Wärmespeicher für die Energieeffizienz Ostwestfälische Energieagentur entwickelt 1997 Standard-BHKW 1 MWel (ηel fast 40%!) mit 75 m³ Heißwasserspeicher (2 h) Investition nur DM/kWel niedrige Betriebskosten ohne Spitzenkessel: hoher KWK-Anteil Vorgesehener Einsatz: z.b. Heizwerke von Mehrfamilienhaussiedlungen ersetzen für etwa Vh/a ausgelegt und sollte dank Speicher durch eine teilw. stromorientierte Fahrweise gut am Strommarkt verdienen Liberalisierung des Strommarkts brachte den Ansatz zum Erliegen 10

12 Effizienz mittels Wärmespeicher-Hightech 2007: Studie über Wärmenutzungsoptionen für abgelegene Biogasanlagenstandorte siehe eine Option: mobiler Wärmetransport Heißwasser als Transportmedium: Wärmedichte gering (ca. 0,8 MWh/20m³) Treibstoffaufwand kritisch Chemische Speicher und Zeolithspeicher (Sorptionsspeicher) als Alternative? Zeolithspeicher hier hat es Fortschritte gegeben aber hohe Wärmedichten erst bei höheren Ladetemperaturen in unseren Fällen zu hohe Kosten für die gespeicherte/nutzbare Wärme 11

13 Mobiler Zeolithspeicher (Sorptionsspeicher) Quelle: Andreas Hauer: Thermische Energiespeicher - Stand und Entwicklung, Vortrag auf der Veranstaltung Wie weiter im Bereich Bioenergie? am 05. Oktober 2011 in Bernburg-Strenzfeld 12

14 Mobiler Zeolithspeicher (Sorptionsspeicher) Quelle: Andreas Hauer: Thermische Energiespeicher - Stand und Entwicklung, Vortrag auf der Veranstaltung Wie weiter im Bereich Bioenergie? am 05. Oktober 2011 in Bernburg-Strenzfeld 13

15 Latentwärmespeicher (PCM - phase change materials) Natriumacetat-Trihydrat-Speicher mit niedrigeren Kosten pro kwh, aber geringere Wärmedichte (20-Fuß-Container; 2,5 MWh) niedrige Nutztemperatur (um 40 C) mäßige Langzeitstabilität bei maximaler Nutztemperatur: Entladungsleistung halb so hoch wie Beladungsleistung. Letzteres erschwert die Logistik einer kontinuierlichen Wärmenutzung bzw. führt zu hohen Investitionen, weil um 50% mehr Fracht- Container mit dem Material und der erforderlichen Technik ausgestattet werden müssen (ca für 26 t-container) Die Wärmekosten werden sehr von den Lohnkosten des Fuhrbetriebs geprägt 14

16 Thermochemische und phasenabhängige Wärmespeicher Quelle: Andreas Hauer: Thermische Energiespeicher - Stand und Entwicklung, Vortrag auf der Veranstaltung Wie weiter im Bereich Bioenergie? am 05. Oktober 2011 in Bernburg-Strenzfeld 15

17 Wärmenetze und Wärmespeicher als EE-Rückgrat Erkenntnisse einer Dänemark-Reise (2009): Dk: hoher Fernwärmeversorgungsanteil > 60% der Wohngebäude (D 14%) Fernwärme in fast allen geschlossenen Ortschaften ab ca. 500 Einwohner hoher KWK-Stromanteil von >50% (D: 15%) hoher Anteil an EE in der Fernwärmeerzeugung von 46%, davon 27% Abfälle (D: 6%, davon 80% Abfälle) Wärmeabsatzdichte (MWh/m) in den Wärmenetzen weniger als ein Drittel gegenüber deutschen Verhältnissen! Fernwärmepreise etwa auf deutschem Niveau vor dem Hintergrund: hoher Windkraftanteil in der Stromversorgung: 20% (D: 6%) 16

18 Dänemark: Interaktion zw. Strom- und Wärmeversorgung Fernwärme Groß- Speicher Holz Stroh Erdgas Silage, Fäkalien,.. Heizkessel Solar-Thermie mie Groß-WP BKHW Biogasanlage Windkraft Strom aus Windkraft Strombedarf Zeit 17

19 Dänemark: Interaktion zw. Strom- und Wärmeversorgung Fernwärme Groß- Speicher Holz Stroh Erdgas Silage, Fäkalien,.. Heizkessel Solar-Thermie mie Groß-WP BKHW Biogasanlage Windkraft Kein Pilotprojekt, sondern tägliche Praxis! Strom aus Windkraft Strombedarf Zeit 18

20 Dänemark: Interaktion zw. Strom- und Wärmeversorgung Fernwärme Groß- Speicher Holz Stroh Erdgas Silage, Fäkalien,.. Heizkessel Solar-Thermie mie Groß-WP BKHW Biogasanlage Windkraft Weitere Optionen: - Abwärme - Tiefengeothermie - Strom aus Windkraft Strombedarf Zeit 19

21 Dänemark: Interaktion zw. Strom- und Wärmeversorgung 20

22 Rückschlüsse für Deutschland D bietet aufgrund der vielen großen Fernwärmenetze sogar bessere Bedingungen! diese ermöglichen den Einsatz von hocheffizienten GuD-Anlagen mit Entnahme-Kondensations-Dampfturbinen der Klasse 100 MWel EK-DT können die Stromproduktion in Zeiten hoher Stromnachfrage erhöhen (bei gleichzeitiger Senkung der Wärmeauskopplung) sie weisen ohnehin eine sehr hohe Stromkennzahl (Strom- zu Wärmeproduktion) auf in Zeiten niedriger Strompreise können sie abgeschaltet werden dank Wärmespeicher trotz überwiegend stromorientierter Fahrweise hohe KWK-Stromerzeugung! Die Möglichkeit einer elektrischen Beheizung (primärenergetisch günstiger mit Großwärmepumpe) des Wärmespeichers erweitert das Potenzial, momentane Stromüberschüsse abzubauen Der Wärmespeicher kann gezielt als Beitrag zur Abdeckung der Wärmelast eingesetzt werden. 21

23 Rückschlüsse für Deutschland Kurzstudie von Prognos: Marco Wünsch et al: Beitrag von Wärmespeichern zur Integration erneuerbarer Energien, Berlin Dezember 2011 aktuell 150 KWK-Anlagen (ab 10 MWth) der Fernwärmeversorgung in Komb. mit Wärmespeichern (10 h Reichweite, bis 2,2 Mio. m³) möglich: um bis zu 3,6 GWel angehobene Stromproduktion abrufbar davon bis zu 1 GWel aus EK-Betrieb Absenkung der Stromproduktion um bis zu 6,7 GWel möglich unter Einbeziehung von elektrischer Direktheizung im Speicher sogar bis zu 18,4 GWel ergibt bereits im vorhandenen Erzeugungspark eine erhebliche Flexibilität, die umfassender, kostengünstiger und effizienter als andere Optionen (neue Pumpspeicher, Druckluft, Batterien, Windgas,...) aktuell in kurzer Zeit realisierbar ist 22

24 Wärmegroßspeicher In Deutschland trotz hoher Vorlauftemperatur in der öffentlichen Fernwärmeversorgung (bis 130 C) überwiegend drucklose Speicher Drucklose Speicher Sonderanfertigung, meist nur ein Behälter max. Temperatur unter 100 C umfangreiche Lade- und Entladeanlagen hohe Kostendegression mit dem Volumen 23

25 Druckloser Wärmespeicher, Beispiel Augsburg Höhe Durchmesser 26 m 22 m Nutzvolumen 8000 m³ Isolierung Wassersäule 40 cm Mineralwolle 22m Be-/ Entladung 200 t/h t/h Beladetemperatur max. 97 C Entn.-Temperatur 75 C - 97 C Speicherkapazität 320 MWh Beladezyklen ca. 75 /a Thermische Leistung des GT-HKW 27 MW Bereitgestellt durch Dr. Markus Pröll; Stadtwerke Augsburg Energie GmbH 24

26 Druckloser Wärmespeicher, Beispiel Augsburg Bereitgestellt durch Dr. Markus Pröll; Stadtwerke Augsburg Energie GmbH 25

27 Wärmegroßspeicher Druckspeicher serienmäßig hergestellte Behälter, die in Serie geschaltet werden einfache Einbindung (hydraulische Weiche) geringe Kostendegression mit dem Volumen Druckspeicher in Dresden mit 40 Behältern je 165 m³ 26

28 Zuhause-Kraftwerk als Alternative? Lichtblick-VW-Konzept 19 kwel/32 kwth, ηel = ca. 32% 2 Speicher á 1 m³ Speicherreichweite bei ΔT=30 K ca.2 h für Objekte ab kwh Erdgaseinsatz Flächenbedarf 9 m² 27

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und eine anregende Diskussion! Wolfgang Schulz College Ring 2 / Research V Bremen Tel. +49 (0) Fax +49 (0) Schulz@bremer-energie-institut.de 28