Große Wärmespeicher sind seit Jahrzehnten fester Bestandteil solarthermischer Kraftwerke. Sie sorgen dafür, dass Wärme bedarfsgerecht bereitgestellt werden kann, auch wenn das Solarfeld keine Energie liefert. Für die Wärmewende in Deutschland spielt die Energiespeicherung eine wichtige Rolle, sobald große Anteile erneuerbarer Erzeugung mit Wärmelasten insbesondere in der Industrie konfrontiert sind.
Das Institut für Solarforschung entwickelt Anwendungskonzepte für Wärmespeicher insbesondere für das industrielle Umfeld. Der Wärmespeicher wird dabei als Puffer zwischen eigentlicher Energiequelle und Verbraucher geschaltet. Für die Beladung des Speichers können sowohl konzentrierende solarthermische Systeme als auch elektrischer Strom zum Einsatz kommen. Das Speichermedium Flüssigsalz, Wasser, beziehungsweise Festkörper kann je nach Anwendungsfall auf bis zu 1.000 Grad Celsius erhitzt werden. Durch hohe Temperaturspreizungen im Speicher lassen sich kostengünstige Energiespeicher realisieren. Die Wärmespeicher selbst werden am DLR-Institut für Technische Thermodynamik entwickelt.
Am Institut für Solarforschung wird die Systemintegration der Speicher technisch entwickelt und wirtschaftlich bewertet. Die Forschenden nutzen die Software EBSILONProfessional, um Wärmeschaltpläne komplexer Anlagen zu erstellen. Je nach Anwendungsfall kommen unterschiedliche Vorteile des Speichereinsatzes zum Tragen. Primär erlaubt der Wärmespeicher die zeitliche Entkopplung von Energieaufnahme und -bereitstellung. Dies ermöglicht die Optimierung der elektrischen Anschlussleistung und bei variablen Strompreisen die kostenminimale Energiebeschaffung. Zudem schafft der Speicher in sensiblen Anwendungen Robustheit gegenüber kurzzeitigen Ausfällen des Stromnetzes.
Dynamische Modellierung und Betriebsoptimierung
Für den jeweiligen Anwendungsfall analysiert das Institut für Solarforschung den Betrieb des Speichers mit den verbundenen Systemkomponenten typischerweise über ein oder mehrere Jahre. Erst mit dieser zeitaufgelösten Betrachtung lässt sich das Zusammenspiel zwischen Speicher, Energiequellen und Last technisch und ökonomisch bewerten. Die Abteilung Nachhaltige Systemverfahrenstechnik verfügt über spezialisierte Simulationswerkzeuge für Jahresertragsberechnungen in Zeitschritten von 1 bis 60 Minuten. Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf der detaillierten Abbildung aller für die Bewertung relevanten Vorgänge. Dies sind neben den eigentlichen Wirkungsgraden insbesondere transiente Vorgänge wie An- und Abfahren der einzelnen Systemteile. Bei volatilen Energiequellen und Lasten kommt eine Betriebsoptimierung unter Berücksichtigung von Vorhersagen zum Einsatz.
Anlagenmodell eines Wärmespeicherkraftwerks
Anlagenmodell eines Wärmespeicherkraftwerks in EBSILONprofessional.
Bei den Carnot-Batterien, auch als Wärmespeicherkraftwerk bezeichnet, handelt es sich um ein Power-To-Heat-To-Power-Systeme, bei denen ein Wärmespeicher mit Strom beladen wird. Die Wärme aus dem Speicher wird über eine Wärme-Kraft-Maschine rückverstromt. Das System ist damit in der Lage, zu vorteilhaften Zeitpunkten elektrische Energie zu beziehen und diese bedarfsgerecht in Form von elektrischer Leistung abzugeben. Vorteilhaft ist, wenn man diese Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung betreibt. Einfache Konzepte wie die Beladung eines Salzspeichers mittels Elektroerhitzer und Rückverstromung mit Dampfturbinenkreislauf erreichen Umsetzungswirkungsgrade bis zu 45 Prozent. Der Wirkungsgrad erhöht sich, wenn Belade- und Entladeprozess sowie Speichersystem stärker integriert sind. Derartige Systeme sind anlagentechnisch aufwändiger und daher teurer. Das Institut für Solarforschung entwickelt für unterschiedliche Einsatzzwecke Carnot-Batterie-Konzepte sowohl mit Elektroerhitzern als auch mit Hochtemperaturwärmepumpen. Auch hier liegen unsere Schwerpunkte in der detaillierten Modellierung, Auslegung, Ertragsberechnung und Wirtschaftlichkeitsanalyse.
Stromgestehungskosten
Kosten und deren Zusammensetzung für die Strombereitstellung aus einem Wärmespeicherkraftwerk für verschiedene Be- und Entladedauern.
Credit:
Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH
Eine interessante Möglichkeit ist der Umbau bestehender Kohlekraftwerke in Carnot-Batterien. Dabei wird der existierende Dampfturbinenkreislauf um einen Wärmespeicher und die erforderliche Beladeeinheit erweitert. Durch Einsatz erneuerbaren Stroms entweder aus dem Netz oder aus eigener Erzeugung über eine PV-Anlage liefert die Carnot-Batterie bedarfsgerecht grünen Strom. Der vorhandene Kohlekessel kann optional für die gesicherte Energieerzeugung vorgehalten oder durch einen Kessel mit umweltfreundlicheren Brennstoffen wie zum Beispiel Erdgas, Wasserstoff oder Biomasse ersetzt werden. Die Analysen zeigen, dass diese Systeme wirtschaftlich sind, sobald ausreichend große Spreizungen des Bezugs-Strompreises über den Tag hinweg vorliegen. Die Forschenden arbeiten an diesem Konzept eng mit dem DLR-Institut für Technische Thermodynamik und dem DLR-Institut für CO2-arme Industrieprozesse zusammen.
Umbau Wärmespeicherkraftwerk
Schema für den Umbau eines Kohlekraftwerks in ein Wärmespeicherkraftwerk.
Die Arbeiten erfolgen in der Regel in enger Abstimmung mit Industriebeteiligten, die entweder als Kunde, Komponentenlieferant oder Systemintegrator tätig sind.
Vom Konzept bis zur Demoanlage
Das Institut für Solarforschung bedient mit seinen Forschungsarbeiten erste Konzeptstudien bis hin zur Begleitung von Demonstrationsanlagen. Die Arbeiten erfolgen in der Regel in Forschungs- und Entwicklungsprojekten zusammen mit Industriebeteiligten, welche die jeweilige Anwendung definieren oder als Systemlieferant auftreten. In den letzten Jahren sind zum Beispiel zahlreiche Studien für den Umbau von Kohlekraftwerken entstanden.
