Se 01-2013 s32-34-thermische speicher
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  • 1. 1-2013 | Januar-Februar offizielles Fachorgan der deutschen gesellschaft für Sonnenenergie e.V. Umweltminister im EEG-Dialog DGS beteiligt sich an politischer Diskussion BAFA, KfW und EMAS Förderung und Forderung Die sozialverträgliche Wende Gerechte Verteilung der Einkommen und Lasten Bauwerksintegrierte PV Teil 2: Komponenten und Anbieterwww.dgs.de • Seit 1975 auf dem weg in die solare Zukunft Thermische Energiespeicher Neue Perspektiven für die Energiewende Titelthema ENERGIEEFFIZIENZ titelbild: deematrix Gmbh, www.etank.de Prämie sichern ... ... mit einer Neumitgliedschaft bei der DGS 01 D: € 5,00 • A: € 5,20 • CH: CHF 8,50 ISSN-Nr.: 0172-3278 4 1982 62 105 0 0 0
  • 2. Bei thermischen Energiespeichern tut sich was Die integrative Nutzung der Erneuerbaren eröffnet neue Perspektiven für die Energiewende der Energiewende, beginnt sich das zu betreiben und kombinieren zu können, ändern. „Das Problem ist nicht die Ener- sind leistungsfähige thermische Speicher Animation: eTank Ingenieure GmbH, Architektur: architecum GmbH, Foto: Alexander Gempeler gieerzeugung, das Problem ist die Ener- erforderlich. Den Verfechtern der großen giespeicherung“, bringt es Harald Drück Stromautobahnen hat sich dieser Zusam- vom Institut für Thermodynamik und menhang bisher kaum erschlossen. Wärmetechnik der Universität Stuttgart auf den Punkt. Thermische Speicher für die Wie schon im Titel der VDI-Fachtagung Lastverlagerung hervorgehoben, beschränkt sich die neue Deshalb müsse das Verständnis darüber Lebhaftigkeit nicht auf die Stromspei- vertieft werden, dass die thermische Ener- cher, wie sie für Sonnen- oder Windstrom giespeicherung deutlich wirtschaftlicher oder für die E-Mobilität vielfach disku- ist, als die elektrische, wie Harald Drück tiert werden. Thermische Energiespeicher betont. Für den wirtschaftlichen Erfolg rücken, auch wenn manche Apologeten einer Energiewende werde dieser Aspekt immer noch einen gegenteiligen Ein- essentiell sein. Bei der Betrachtung der druck erwecken wollen, nicht zufällig ins sogenannten Speicherfrage wird es des- Zentrum des Interesses. Zum einen setzt halb auf ein neues Denken ankommen, sich die Erkenntnis durch, dass die Ener- das die mit List herbeigeredeten Sys- giewende nicht einfach eine „Stromwen- temgrenzen, wie eine angebliche Über- de“ sein kann. Im Gegenteil, ohne den legenheit vom Sonnenstrom gegenüber Bild 1: Eine Alternative zur Tiefensonde Wärmebereich, für den über ein Drittel Sonnenwärme, oder Wind Onshore versus beim kombinierten Einsatz von Sole-Wär- der Primärenergien in Deutschland ver- Offshore, links liegen lässt. Wurde dies im mepumpe und solarthermischer Anlage bie- braucht werden, würde die Energiewende Konzept von Power to Gas zum ersten tet der eTank. Solare Überschüsse können wohl nicht nur klimapolitisch zur Bauch- Mal handgreiflich – im brandenburgi- ganzjährig gespeichert und wirtschaftlich für das Heizsystem genutzt werden landung missraten. schen Falkenhagen baut E.ON gegenwär- Auch in der gesellschaftlichen Debatte tig eine Pilotanlage zur Speicherung von um die Gestaltung der zukünftigen Ener- überschüssigem Windstrom im Erdgas- gieversorgung wird langsam klarer, dass netz, die ab 2013 durch Elektrolyse rund S peicher sind inzwischen ein lebhaf- tes Forschungsgebiet“, freut sich Andreas Hauer, Abteilungsleiter am diese nur erfolgreich entwickelt werden kann, wenn die Ausgrenzung einzelner Technologen vermieden wird. Stattdessen 360 m3 Wasserstoff pro Stunde erzeugt, anderswo entsteht Ähnliches – so schla- gen sich die Überlegungen, thermische Bayerischen Zentrum für Angewandte muss man gerade bei den Regenerativen Speicher gerade für die Lastverlagerung Energieforschung e.V. (ZAE Bayern) an- die Thermie als integrativen Bestandteil einzusetzen, in ersten Projekten nieder. lässlich der VDI-Fachtagung „Thermi- einer primärenergetisch neu organisierten Während das politische Berlin sich den sche Energiespeicher“, die Ende Oktober Energieerzeugung akzeptieren, bei der Mund über neue Stromautobahnen von in Ludwigsburg stattfand. Er drückt aus, sich Stärken ergänzen und Schwächen der Küste bis zu den Alpen fusselig redet, was von Herstellern wie Forschern be- gegenseitig ausgleichen können. Der Weg arbeiten selbst Unternehmen wie E.ON stätigt wird: nach Jahren des Stillstan- weg vom Feuer und von der Verbrennung Bayern an einem ganz anderen „Netz der des ist massive Bewegung in das Thema führt nicht über die Stigmatisierung ein- Zukunft“ mit. Im niederbayerischen Os- gekommen. Bislang war die teilweise zelner Technologien, schon gar nicht der terhofen werden erste Blockheizkraftwer- stürmische Entwicklung von Photovol- Solarthermie, sondern nur über deren In- ke mit Wärmespeichern gekoppelt. Dabei taik- und Windstromanlagen, ebenso tegration und kombinierte Nutzung. Das soll herausgefunden werden, wie Strom wie solarthermischer Anlagen, nicht von Bindeglied dazwischen wird immer eine lastgangorientiert ins Netz eingespeist einer parallelen Entwicklung adäquater fortschrittliche Speichertechnik sein. Um oder aus dem Netz gezogen, in Wärme Speichertechnologien begleitet worden. fluktuierende Strom- wie Wärmemengen umgewandelt oder gespeichert werden Diese Disparitäten wurden jahrelang von nicht nur aus erneuerbaren, sondern auch kann. Es soll also Integration betrieben den Protagonisten der Erneuerbaren aus fossilen Quellen – wie etwa BHKWs, und ein angewandtes Energiemanage- klaglos hingenommen. Jetzt, im Zeichen dezentral und regional – wirtschaftlich ment geprobt werden. Die Energieerzeu-32 I 1–2013 I Januar–Februar
  • 3. gung der Blockheizkraftwerke und die von kostengünstigeren Wärmeerzeugern Bei Bosch Thermotechnik hat man dender Windräder und Photovoltaik-Anlagen verdrängt werden. gesamten Prozess der Energieerzeugung RUBRIK  Energie spe ich erungsollen sich dergestalt ergänzen, dass sie Ein solch kostenoptimierter, flexib- und -verwertung im Blick und geht indie vorhandenen Netze entlasten. „Bis ler Betrieb von KWK-Anlagen findet in Sachen Technologiekombination undMitte nächsten Jahres wollen wir unsere Deutschland zunehmend Interesse, auch Interaktion noch einen Schritt weiter.Untersuchungen durchführen und damit wenn Nachahmer nicht gerade Schlange Erweitert bzw. ergänzt werden die ver-einen weiteren Beitrag zur Umsetzung stehen. Große Wärmespeicher existieren schiedenen Komponenten der Erzeugungder Energiewende liefern“, zeigt sich rund ein Duzend, eine Interaktion dieser und Speicherung um das OCR VerfahrenEgon Westphal, Technikvorstand bei der Wärmenetze mit der Strommarkt war da- (Organic Ranking Cycle), mit dem ausE.ON Bayern, von diesem Ansatz über- bei nie vorgesehen. Als erste baute 2010 thermischen Speichern der Weg gewis-zeugt. die E.ON Hanse Wärme GmbH einen 1996 sermaßen wieder „rückwärts“ zur Strom- Auf Basis von Sonne, Wind oder Gas er- errichteten, saisonalen Wärmespeicher zu erzeugung beschritten werden kann. Beizeugen unterschiedliche Anlagen Strom einem Multifunktions-Wärmespeicher OCR, das als Verfahren zur Stromerzeu-– allerdings nur zu den Zeiten, in denen um. Dabei wurde nicht nur eine bessere gung mit Erdwärme entwickelt wurde,das allgemeine Stromnetz dafür aufnah- Wärmedämmung, sondern auch eine we- wird für die Stromerzeugung die Energiemefähig ist. Sind die Kapazitäten im Netz sentlich höhere Be- und Entladeleistung des gespeicherten heißen Wassers perausgelastet, kann die überschüssige Leis- von bis zu 10 MW realisiert. Neben der Wärmetauscher in einen zweiten Kreis-tung zur Erzeugung von Wärme, etwa für saisonalen Speicherung von Solarwärme lauf gespeist, der ein spezielles organi-lokale Nahwärmenetze genutzt werden. aus den bestehenden Kollektoranlagen sches Arbeitsmedium verwendet. Dieses„Das wirkt netzentlastend“, betont West- speichert der 4.150 m3 Wasser fassen- beginnt bereits bei Temperaturen unterphal, und sieht in den Wärmespeichern de Erdspeicher nun auch Abwärme aus 100 Grad Celsius zu sieden und gehtein wichtiges Regulativ im Netzbetrieb einem Müllheizkraftwerk. Durch die Ein- entsprechend früher in den gasförmigender Zukunft. Dass diese Nahwärmenetze bindung in das Fernwärmeverbundnetz Aggregatszustand über. So lässt sich einewiederum auf die Solarwärme als kos- Hamburg-Ost (120 MW/400 GWh) kön- Turbine mit weniger als 100 Grad für dietengünstiger Energiequelle zugreifen nen Spitzenlasten auch aus dem Speicher Stromerzeugung einsetzen.können, zeigt seit Jahren das Dänische gedeckt und die sonst hierfür notwen- Auch im Bereich der individuellen Spei-Smart District Heating. Dort boomt die digen fossilen Heizkessel heruntergefah- cher für Wohngebäude zeigt dieses neuesolare Nah- und Fernwärme landesweit ren bzw. abgeschaltet werden. Zukünftig Denken Erfolge. Zielpunkte sind dabeigerade weil man sie als „Technologie- ist eine effiziente saisonale Speicherung niedrige Systemtemperaturen modernerkombination und Interaktion mit dem solarer Wärme (März bis Oktober) sowie Heizungen einerseits, um SolarerträgeStrommarkt“ versteht. Zu fast jedem der eine Spitzenlastpufferung von KWK-Ab- im unteren Temperaturbereich verwer-etwa 450 Fernwärmenetze in unserem wärme bis ca. 10 MW in den bisher unge- ten, sowie Speicherlösungen, bei denenNachbarland gehören großen Wärme- nutzten Monaten November bis Februar diese Erträge sowie die sommerlichenspeicher. Sie ermöglichen einen flexiblen möglich. Zugleich lässt sich das Fernwär- Überschüsse nicht mehr verloren gehen,Betrieb der verschiedenen Wärmeerzeu- meverbundnetz weiter solarisieren. sondern langfristig erhalten bleiben. Einger. Die Laufzeiten der kostengünstigs- Beispiel dafür ist die Kombination vonten Wärmeerzeuger lassen sich durch den Stromerzeugung aus Sole-Wärmepumpen und solarthermi-Speichereinsatz verlängern. In jüngerer gespeicherter Wärme schen Anlagen. Mit der RückeinspeisungZeit gehören auch elektrische Heizer zum Ein dezentrales Energie- und Spei- solarer Überschusswärme ins Erdreich, diePortfolio der Wärmeerzeuger. Während chermanagement zur Realisierung einer vor allem im Sommer anfällt, lässt sicheiniger hundert Stunden im Jahr sind weitaus größeren Energieeffizienz steht nicht nur eine Regeneration der Wärme-diese die kostengünstigste Möglichkeit, auch auf der Agenda großer Industrie- quelle erreichen, welche der LebensdauerWärme bereitzustellen. Die Betriebsdau- unternehmen wie Bosch. Thermische der Anlage dient. Über eine Tempera-ern der KWK-Anlagen verkürzen sich Energiespeicher „als technologisches turanhebung im Erdreich lässt sich diehingegen, weil diese wegen des volatilen und wirtschaftliches Bindeglied“ werden benötigte, elektrische AntriebsenergieStrompreises auch zu den Zeiten, in de- hier nicht nur im Zusammenhang mit der der Wärmepumpe deutlich reduzieren.nen Wärmebedarf vorhanden ist, häufig Verwertung von Prozesswärme gesehen. Neue Konzepte gehen sogar von den Tiefenbohrungen weg und arbeiten mit einem sogenannten eTank, der das Erd- reich unterhalb oder neben dem Gebäude KWK: als Speichermedium nutzt. Damit können solare Überschüsse in einem Temperatur-  Wertvolle bereich bis zu 30 Grad bevorratet und bei Stromproduktion  Gewinn Solar: Bedarf wirtschaftlich abgerufen werden.  Schnelle Regelmöglichkeit Auch wenn diese Art der Energiespeicher  kostenfreie Wärme (Prod.)  Gewinn erst in wenigen Häusern verbaut sind – auf der VDI-Fachtagung war davon üb- Wärmepumpe: Wärmespeicher: rigens noch nicht die Rede – zeigen die Auswertungen nach zwei bis drei Jahren  kostengünstige Wärme  Ermöglicht die Flexibilität Regelbetrieb, dass Jahresarbeitszahlen  Schnelle Regelmöglichkeit  Ermöglicht die Kombination Quelle: PlanEnergi, DK (Last)  Gewinn der Wärmepumpen zwischen 6 und 8 erreicht werden. Unter Einbeziehung ei-  Reduzierung Speichervolumen ner PV-Anlage lässt sich damit im EFH wie im Geschosswohnungsbau ein reinBild 2: So sieht man dies in Dänemark: Technologiekombination & Interaktion mit dem regenerativer Betrieb mit einer Individu-Strommarkt alheizung im Niedertemperaturbereich 33 1–2013 I Januar–Februar I
  • 4. wirtschaftlich realisieren. Gleiches gilt Neben diesen aus der F&E-Tätigkeit Vor allem auf Grund der hohen Energie- auch für stromgetriebene Mini-BHKW, mittelständischer Unternehmen stam- speicherdichte und der nahezu verlustfrei- deren Abwärme sonst im Sommer ver- menden Lösungen verzeichnen auch die en Speicherung wird demgegenüber der loren ginge. universitäre und die außeruniversitäre thermochemischen Wärmespeicherung Forschung einen Aufschwung. Das liegt das größere Potential zugeschrieben. Der Kunststoffspeicher ist im u.a. daran, dass die Bundesregierung, Unter diesem Begriff werden Verfahren Kommen die sich jahrelang in Abstinenz bei der zusammengefasst, die auf Basis von Ad- Um größere Speichervolumina im Forschungsförderung für Speicher geübt sorptionsprozessen oder durch reversib- Gebäudebestand bei Einzelheizungen hatte, einen Kurswechsel vollzogen hat. le chemische Reaktionen eine spezielle auch im herkömmlichen Temperaturbe- Inzwischen fließen mehr Fördermittel Form der Energiespeicherung darstellen. reichen zu realisieren, also die heutigen auch in die Grundlagenforschung. Ex- Ein typisches Beispiel ist die Anlagerung Kurzzeitspeicher zu Gunsten von Lang- perten wie Harald Drück erwarten, dass (Adsorption) von Wasserdampf an Zeoli- zeitspeichern zu überwinden, werden neben den bekannten Warmwasser- then oder Silikagelen. Diese sind wie an- zunehmend leichte glasfaserverstärkte speichern neue Technologien marktreif dere technische Adsorbentien hoch porö- Kunststoffspeicher angeboten, die vor werden. Am weitesten sei die Entwick- se Feststoffe, die z.B. als Kügelchen mit Ort zusammen gebaut werden können. lung bei Latentwärmespeichern voran- einem Durchmesser von ein bis fünf Mil- Mit diesem Ansatz erreichen verschie- geschritten. Phasenwechselmaterialien limeter kommerziell angeboten werden. dene Hersteller inzwischen Volumina (Phase Change Materials, PCM) zur Spei- Bei der Bindung der Wasser-Moleküle an von 40 bis 100 m3. Die Wärmeübertra- cherung von latenter Wärme können für der Oberfläche des Adsorbens wird Wär- ger bestehen ganz konventionell aus unterschiedliche Einsatzzwecke genutzt me frei, die zu Heizzwecken genutzt wer- Edelstahlwellrohren, die im Speicher werden. Dabei wird zusätzlich zur „fühl- den kann. Der Prozess kann durch Wär- integriert sind. Neben den glasfaserver- baren“ Wärme die Schmelzenthalpie beim mezufuhr, allerdings auf einem höheren stärkten Kunststoffen werden auch vor Phasenwechsel genutzt. Beim Erstarren Temperaturniveau, rückgängig gemacht Ort verschweißte Kunststoffplatten aus des Speichermaterials wird die Enthal- werden (Desorption). Mit höheren Ener- Polypropylen-Homopolymer (PP-H) oder pie des Phasenwechsels in Form von giedichten und geringeren Wärmeverlus- Polyurethan verwendet, die auf einem Wärme frei. Durch Wärmezufuhr kann ten im Vergleich zu Warmwasserspeichern Stahlrahmen montiert sind. Daneben der Prozess rückgängig gemacht, also könnten Solaranlagen mit hohen solaren werden auch große Kombi- bzw. Puffer- das PCM wieder geschmolzen werden. Deckungsanteilen bzw. zur vollständigen speicher „am Stück“ angeboten, die nicht Neben der größeren Energiedichte ist Deckung des Wärme- und Kältebedarfs im Haus eingesetzt, sondern außerhalb das Temperaturniveau, bei dem sich der an Attraktivität gewinnen. Der Vorteil erdvergraben installiert werden. Wichtig Phasenwechsel vollzieht, für technische entstünde nicht nur aus einem deutlich hierbei ist, dass, anders als bei herkömm- Anwendungen interessant. Nachteilig reduzierten Speichervolumen, sondern lichen Speicherkaskaden (der Kurzzeit- gegenüber dem Speichermedium Wasser einer gleichzeitig reduzierten Kollek- speicher), die einzelnen Module zu einem sind höhere Investitionskosten und die torfläche. Wegen des noch sehr frühen großen Speicher zusammengefasst und Schwierigkeit des Wärmetransports, her- Entwicklungsstadiums sind bei thermo- gemeinsam wärmegedämmt werden. So vorgerufen durch die geringe Wärmeleit- chemischen Wärmespeichern noch eine lassen sich Wärmeverluste reduzieren und fähigkeit der Phasenwechselmaterialien. Reihe technologischer Innovationen zu gleichzeitig eine gute Raumausnutzung Kommerziell stehen heute Paraffine mit erwarten. Um neue Techniken zur Markt- erreichen. Eine Kostensenkung verspre- Phasenwechseltemperaturen von etwa reife zu führen, so Drück, sind weitere chen sich die Anbieter nicht nur in der 30°C bis ca. 80°C zur Verfügung und Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, Verwendung neuer Materialien, sondern eignen sich damit für den Einsatz in der also auch Fördermittel erforderlich. Bei auch in der Verbesserung der thermisch Trinkwassererwärmung und Heizung im einer konsequenten Weiterentwicklung geschichteten Be- und Entladung, vor Wohnbereich. Ob Latentwärmespeicher der unterschiedlichen Speicherkonzepte allem aber auch in der verbesserten re- für Heizzwecke den Warmwasserspei- – das hier vorgestellte bildet nur einen gelungstechnischen Einbindung in das chern tatsächlich überlegen sind, müsse Ausschnitt – auf industrielle Abwärme- Heizungssystem. sich allerdings noch erweisen. nutzung, die Einbindung von Eisspei- chern in die Kälteversorgung, von Aqui- ferwärmespeichern in Wärmenetzen oder der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung mit großen Kaltwasserspeichern konnte nicht elektrische eingegangen werden – ließe sich in na- Speicher br her Zukunft in solar beheizten/gekühlten en ns Gebäuden wie auch in der Prozesswärme M to n c Smart Grid Strom et pe ffz or ha Wärmepreise erzielen, die deutlich unter um ni ell sie e denen fossiler Anlagen liegen. ep ru rm thermo- ng wä technik Quelle: Dr. bernd Müller, bosch rexroth aG Smart Grid thermie Smart Grid Gas verbrennung thermische Speicher: ZUm AUtoR: Speicher biogas Gasnetze  Klaus Oberzig ist wissenschaftsjournalist aus berlin Bild 3: Kostengünstige Energie: Eine Regelungs- u. Speichermanagement Aufgabe oberzig@scienzz.com34 I 1–2013 I Januar–Februar