Das ist das zentrale Ergebnis der Studie „Thermische Energiespeicher für Quartiere“, die jetzt von der Deutschen Energie-Agentur (dena) veröffentlicht wurde. Die Studie vergleicht dabei unterschiedliche Speichertechnologien anhand von Planungsparametern und Best-Practice-Beispielen.
Die Analyse betrachtet latente, sensible und thermochemische Wärmespeicher. Latente Wärmespeicher nutzen den Phasenwechsel (von fest zu flüssig) des Speichermediums, während sensible Speichersysteme die Wärme durch Temperaturveränderung des Speichermediums nutzen. Die dritte Variante besteht in der Wärmespeicherung in Form einer reversiblen thermo-chemischen Reaktion.
Latente Wärmespeicher kämen derzeit eher vereinzelt für einzelne Gebäude zum Einsatz, während sich thermochemische Speicher noch in der Entwicklungsphase befinden, heißt es in der Studie. Jedoch verfügten beide Speichertechnologien aufgrund hoher Wirkungsgrade, hoher Betriebstemperatur und hoher Speicherdichten über ein großes Entwicklungspotenzial vor allem zur Unterstützung von Fernwärmenetzen in Bestandsquartieren bei einer Netztemperatur über 80 °C. Demgegenüber gelten sensible Wärmespeicher als etablierte und kostengünstige Technologie und werden häufig für solare Nahwärmnetze bzw. Niedertemperatur-Wärmenetze in Neubauquartieren (Netztemperatur unter 55 °C) eingesetzt.
Thermochemische Wärmespeicher noch in frühem Entwicklungsstadium
„Bei der Auswahl und Umsetzung der Speichertechnologien ist die Wirtschaftlichkeit ein entscheidender Faktor“, hält die dena fest. In der Studie erfolgt die Betrachtung der Wirtschaftlichkeit auf Basis der spezifischen Investitionskosten. Trotz des hohen Wirkungsgrads und der hohen Energiedichte sind thermochemische Speicher durch deutlich höhere Investitionskosten im Vergleich zu sensiblen und latenten Speichern geprägt. Dabei variieren die Investitionskosten in Abhängigkeit von den Speichermaterialien erheblich. Der Studie zufolge bewegen sich die spezifischen Investitionskosten in einer Bandbreite von 9 bis 120 €/kWhth. „Die Anwendung thermochemischer Speicher ist aufgrund des frühen Entwicklungsstadiums der Technologie mit einem hohen wirtschaftlichen Risiko und offenen wissenschaftlichen Fragenstellungen verbunden.“
Bei latenten Speichern geht eine relativ höhere Wärmespeicherkapazität gegenüber sensiblen Wärmespeichern ebenfalls mit einer Zunahme der Investitionskosten einher. Vor allem steigen die Investitionskosten bei latenten Speichern deutlich, wenn hohe Leistungen erreicht werden sollen. Die spezifischen Investitionskosten bewegen sich für latente Wärmespeicher der Studie zufolge zwischen 40 und 80 €/kWhth.
Gegenüber la tenten und thermochemischen Wärmespeichern befindet sich der Einsatz von sensiblen Speichern im fortgeschrittenen Entwicklungsstadium und weist deutlich geringere Investitionskosten auf, wodurch sehr hohe Speicherkapazitäten für Quartiere kostengünstig erschlossen werden können. Laut Studie bewegen sich die spezifischen Investitionskosten in einer Größenordnung zwischen 20 und 50 kWhth. „Jedoch haben errichtete sensible Wärmespeicher auf Quartiersebene derzeit Pilotprojektcharakter und ihre Investitionskosten sind stark von den örtlichen Gegebenheiten abhängig.“
Sektorkopplung spielt wichtige Rolle bei der Planung von Wärmespeichern im Quartier
Die Genehmigungsanforderungen an thermische Speicher sind von verschiedenen Faktoren abhängig, heißt es weiter. „Dazu sind, neben baurechtlichen Anforderungen an die Speicher selbst, auch die verbundenen Anlagen und die verwendeten Stoffe zu prüfen, da diese gegebenenfalls unterschiedliche Umweltmedien in unterschiedlichem Ausmaß nutzen bzw. beeinflussen können.“ Weitere Anforderungen, insbesondere solche, die sich aus dem für die Anlagen vorgesehenen Standort ergeben können, sollten mit den zuständigen Behörden besprochen werden, empfiehlt die Studie. Darüber hinaus sollten die Platzverfügbarkeit, die vorhandene Energieinfrastruktur, die Wirtschaftlichkeit und der Wärmebedarf des Gesamtsystems bei der Planung bzw. Auswahl thermischer Speicher berücksichtigt werden.
Eine große Rolle bei der Planung und Umsetzung thermischer Speicher spielt auch die Sektorkopplung. „Insbesondere den Wärmespeichern kommt durch eine Kopplung des Strom- und Wärmesektors eine Schlüsselrolle zu“, hält die Analyse fest. Um diese Rolle auch im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit einnehmen zu können, sollten bei der Planung von PtH-Anlagen in Verbindung mit thermischen Speichern auch die Stromnebenkosten (Netznutzungsentgelte, Umlagen, Steuern etc.) betrachtet werden. „In bestimmten Konstellationen kann eine Minderung bzw. Vermeidung dieser Nebenkosten erreicht und somit gegebenenfalls eine höhere Wirtschaftlichkeit erzielt werden.“ Eine Privilegierung von thermischen Speichern im Kontext der Stromnebenkosten gibt es derzeit nicht, da die verbundenen PtH-Anlagen als Letztverbrauchende behandelt werden und entsprechende Regelungen Anwendung finden.
Wärmespeicher können Energiebereitstellung in Form von Strom oder Wärme flexibilisieren
Die Studie weist darauf hin, dass der Energiebedarf des Wärmesektors „weitaus höher als der des Stromsektors“ ist und thermische Energiespeicher niedrigere Investitionskosten im Vergleich zu bisherigen Batterie- und Wasserstoffspeichern aufweisen. „Jedoch können Batterie- und Wasserstoffspeicher aufgrund der hohen Energiedichte und der zunehmenden Stromerzeugung aus EE in Kombination mit thermischen Speichern (als Hybrid-Energiespeicher) beispielsweise für den optimierten Betrieb eines Fern- und Nahwärmenetzes mit Wärmepumpen oder BHKWs eingesetzt werden.“
Mittels Wärmespeichern könne die Energiebereitstellung in Form von Strom, Wärme und Kälte flexibilisiert und mit volatilen EE-Erzeugern gekoppelt werden. Dadurch kann die Effizienz in Fernwärmesystemen und Quartieren erhöht und die Leistung von fossil befeuerten Kraftwerken durch PtH-Anlagen ersetzt werden. Zukünftig könne dies zur Dekarbonisierung des Wärmesektors beitragen. „Hierfür sind Pilotforschungsprojekte für noch nicht in der Praxis etablierte Speichertechnologien (z. B. PCM-Speicher, thermochemische Speicher u. a.) zur Demonstration von Anwendungskonzepten und zur Förderung des Markteintritts, unter Berücksichtigung technischer, planerischer, wirtschaftlicher und regulatorischer Aspekte, sinnvoll.“
Die Studie richtet sich an Stadtwerke, Kommunen, Planer, Projektentwickler, Investoren sowie politische Stakeholder. „Die Bundesregierung hat sich ambitionierte Energie- und Klimaziele gesetzt. Um sie zu erreichen, muss die praktische Umsetzung vor Ort gefördert werden. Ein Baustein dafür ist die neue dena-Studie zu thermischen Energiespeichern in Quartieren“, sagt dena-Geschäftsführer Andreas Kuhlmann. So könnten Effizienzmaßnahmen am Gebäude, die Integration von Anlagen mit erneuerbaren Energien, insbesondere in Wärmenetze oder Power-to-Heat-Anlagen mit Speichern kombiniert und netzdienlich betrieben werden.
Grundsätzlich gibt es bislang keine Einbauverpflichtung für thermische Speicher bei Quartiersprojekten. Jedoch stellt die BAFA-Förderung „Wärmenetzsysteme 4.0“ einen Anreiz dar.
