FAU und Ohm nehmen saisonale Wärmespeicher in den Fokus
Schlüsseltechnologie für nachhaltige Wärmeversorgung
Welche Technologien eignen sich besonders, um Wärme zu speichern? Welche Speichergrößen sind für die N-ERGIE sinnvoll und wirtschaftlich? Welche Rolle spielen Platzbedarf, Kosten und Temperaturbereiche? Mit diesen Fragen beschäftigen sich zwei aufeinander aufbauende Studien der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und der Technischen Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm.
Wärme wird in Zukunft zunehmend elektrisch erzeugt, etwa über Wärmepumpen oder elektrische Direktheizungen. Gleichzeitig nimmt auch die Volatilität am Strommarkt zu, unter anderem während sogenannter Dunkelflauten. Das sind Phasen, in denen die Sonne kaum scheint und der Wind nur schwach weht. Sie dauern zwischen zwei und zwölf Tagen und kommen mehrmals pro Wintersaison vor. Energieversorger wie die N-ERGIE stehen dann vor der Herausforderung, solche Phasen mit wenig Strom aus erneuerbaren Energien und damit hohen Strompreisen überbrücken zu müssen.
„Wärmespeicher helfen dabei, diese Phasen zu überbrücken, die Wärmeversorgung zu sichern und auch erneuerbare Energien zu integrieren. Mit unserem bestehenden Wärmespeicher auf dem Kraftwerksgelände Nürnberg-Sandreuth konnten wir in den letzten zehn Jahren bereits gute Erfahrungen sammeln und Ökostromschwankungen ausgleichen“, sagt Norman Villnow, Geschäftsführer der N-ERGIE Kraftwerke GmbH. „Er ist aber leider nur ein vergleichsweise kleiner Baustein, wenn es darum geht, Dunkelflauten zu überbrücken und in Phasen mit hohem Wärmebedarf zu unterstützen. Die Studien von FAU und Ohm geben uns eine gute Orientierung für weitere Planungen.“
Studie der FAU: „Speicherung von Wärme für die regionale Wärmeversorgung“
Einer der Schwerpunkte der Studie des Lehrstuhls für Energieverfahrenstechnik der FAU ist die Vision, mit Hilfe von PV-Strom im Sommer Wärme saisonal zu speichern, um diese im Winter in regionalen Nah- und Fernwärmenetzen zu nutzen. Die Untersuchung unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Jürgen Karl analysiert für die N-ERGIE verschiedene Technologien zur langfristigen Wärmespeicherung und bewertet deren Wirtschaftlichkeit. Ein Technologiescreening zeigt auf, welche Technologien geeignet sind, Schwankungen zwischen Sommer- und Wintermonaten auszugleichen oder zumindest Dunkelflauten mit einer Dauer von ein bis zwei Wochen effektiv zu überbrücken.
Der Studie zufolge stehen für die saisonale Wärmespeicherung im Gigawattstunden-Bereich – beispielsweise für Fernwärmenetze kleinerer Städte – ausreichend erprobte Technologien zur Verfügung. Insbesondere in Skandinavien sind diese bereits im Einsatz. Kernproblem ist neben der Rentabilität der Flächenbedarf großer Speicher. Die Studie zeigt unter anderem, dass eine Wärmespeicherung mit Niedertemperaturspeichern über einen Zeitraum von bis zu einem Monat wirtschaftlich realisierbar ist. Niedertemperaturspeicher (zwischen 20 und 60 Grad Celsius) würden in diesem Fall als Wärmequellen für Wärmepumpen dienen: Dafür würde überschüssiger Strom aus dem Sommer, zum Beispiel aus der PV-Einspeisung, zunächst durch das Beheizen von Warmwasser-Reservoirs gespeichert und im darauffolgenden Winter genutzt, um die Wärmepumpen zu betreiben.
„Wärmespeicher sind der Schlüssel, um die zukünftige Wärmeerzeugung mit erneuerbaren Energien unabhängig von Wetter und Jahreszeit zu machen – und damit die Wärmewende entscheidend voranzubringen. Insbesondere Niedertemperaturspeicher sind hier auf Grund der vergleichsweise geringen Investitionskosten vielversprechend“, so Prof. Dr.-Ing. Jürgen Karl.
Die Studie kann hier heruntergeladen werden: https://www.evt.tf.fau.de/files/2025/02/Speicherung-von-Waerme-fuer-die-regionale-Waermeversorgung.pdf
Studie der Ohm: „Wirtschaftlich vorteilhafte Speicherkapazität zum Transformationsplan für die Wärmeversorgung Nürnbergs“
Die Studie der Fakultät Maschinenbau und Versorgungstechnik der Technischen Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Matthias Popp nimmt die Wirtschaftlichkeit näher unter die Lupe. In der Untersuchung geht es darum, wie die N-ERGIE ihre Versorgungsaufgabe durch einen möglichen Speichereinsatz in Zukunft am kostengünstigsten erfüllen kann.
Grundlage der Analysen bildet das Ziel der N-ERGIE, in den nächsten Jahren die Fernwärmeerzeugung durch verschiedene Bausteine – wie Großwärmepumpen, einem Altholz-Heizkraftwerk, (industrieller) Abwärme, Erdwärme oder Wasserstoff – zu dekarbonisieren und gleichzeitig die Anzahl der versorgten Abnehmer*innen zu erhöhen.
Dabei nahm die Studie Kostenabschätzungen bei unterschiedlichen Speichervarianten sowie Prognosen zur Speicherbewirtschaftung in einem beispielhaften Zeitraum und den darin herrschenden Marktgegebenheiten vor.
„Ein Speicher bietet wirtschaftliche Vorteile für die versorgte Stadt, solange die damit möglichen Einsparungen durch Wärmeproduktion auf Vorrat in kostengünstigen Phasen die Mehrkosten für Bau und Betrieb des Speichers übertreffen“, sagt Prof. Dr.-Ing. Matthias Popp.
Die Studie ermittelte die Speichergröße, mit der größten zu erwartenden Kosteneinsparung für die zukünftige Fernwärmeversorgung Nürnbergs. Es zeigt sich eine große Abhängigkeit von den bauartbedingten Herstellungskosten und den kalkulatorischen Anforderungen wie Abschreibungsdauer und Zinssätze. Niedrigere Speicherkosten liefern das größte Einsparpotenzial bei größeren Speicherkapazitäten.
Die Bandbreite der wirtschaftlichsten Speichergröße ist beachtlich. Sie erstreckt sich von einer Kapazität zur Deckung des Wärmebedarfs für rund einen Tag – wie bei Systemen des bestehenden Wärmespeichers in Nürnberg-Sandreuth – bis hin zu einem Vielfachen dieser Kapazität, um mehrere Wochen zu überbrücken. Hier kommen kostengünstigere Konzepte zum Tragen, die – ähnlich wie die bekannten Systeme in Skandinavien – allerdings viel mehr Fläche erfordern.
Die Studie kann hier heruntergeladen werden: https://doi.org/10.34646/thn/ohmdok-3631.
Zusammenarbeit mit den Hochschulen in der Region
Die Energiewende und die damit verbundene Transformation der Energieversorgung bringen viele Chancen und Herausforderungen mit sich. Der Austausch zwischen Wissenschaft und Unternehmen spielt dabei eine entscheidende Rolle. Die N-ERGIE verbindet mit der FAU und der Ohm eine traditionsreiche und erfolgreiche Zusammenarbeit in den unterschiedlichsten Themenfeldern. Ziel ist es neben der Ausbildung von Fachkräften auch Forschungsergebnisse unternehmerisch zu nutzen und gemeinsam weiterzuentwickeln.
