Rahmendaten des Fallbeispiels

Nach dem Prinzip Power-to-Heat (PtH) funktionieren alle elektrischen Wärme-erzeuger, darunter Wärmepumpen, Elektrodenkessel, Induktionsanlagen und Widerstandsheizungen. Im Kontext der Energiewende und im Anwendungsfall in einem Wärmespeichersystem besteht bei PtH die Möglichkeit, Überschussstrom in Wärme umzuwandeln [1]. Nach aktuellem Stand der Technik können mittels einer elektrischen Widerstandsheizung Prozesstemperaturen von 150 bis 1.200 °C erzeugt werden [2]. Unter 150 °C bietet sich der Einsatz einer Wärmepumpe an. Über 1.200 °C ist der Einsatz von Wasserstoff oder bspw. von Plasmabrennern sinnvoll. Letztere befinden sich derzeit in der Entwicklung.

Das in diesem Fallbeispiel betrachtete, in Aachen beheimatete Unternehmen betreibt eine energietechnische Anlage auf einem Temperaturniveau von 800 °C, weshalb für die elektrische Wärmeerzeugung eine elektrische Widerstandsheizung ausgewählt wurde. Bei diesem Erwärmungsprinzip beträgt der Wirkungsgrad (elektrisch zu thermisch) > 98 % [2]. Zudem ist die Technologie ausgereift und kommerziell verfügbar.

Für die Energiespeicherung kommen grundsätzlich alle Speicherarten mit anschließender Rückverstromung in Frage. Bei Anlagen mit Wärmebedarf besteht zusätzlich die Möglichkeit, einen kostengünstigen Wärmespeicher einzusetzen. Diese Speicher sind ebenfalls ausgereift und mit Kapazitäten von 0,5 MWh bis 500 MWh Speicherkapazität verfügbar [3]. Mit einem Wärmespeicher wird der Strom aus dem Stromnetz zuerst in Wärme umgewandelt und in einem temperaturbeständigen Material gespeichert. Anschließend wird die Wärme wieder entnommen und als Prozesswärme eingesetzt.

Für die Berechnung der Energiekosten werden die nachfolgend beschriebenen technischen Konzepte betrachtet.

• Erdgas – konstant: Die Wärmeerzeugung durch die Verbrennung von fossilem Gas ist in der Industrie Stand der Technik. Daraus ergeben sich die Referenzkosten für den folgenden Vergleich.
• Strom – konstant über Vollversorgungsverträge: Genau wie ein Gasbrenner produziert die PtH-Anlage bei konstanter Stromversorgung stets die vom Prozess benötigte Wärmeleistung. Der Strom wird hier über die vor allem in mittelständischen Unternehmen noch weit verbreiteten Vollversorgungsverträge beschafft.
• Strom – konstant zu Spotmarktpreisen: Auch hier produziert die PtH-Anlage exakt so viel Prozesswärme, wie vom Prozess benötigt wird. Der Unterschied zum vorigen Fall ist, dass der Strom zu Spotmarktpreisen bezogen wird.
• Strom – flexibel: Hier wird Anlagenbetrieb in Kombination mit einem Speicher (sei es ein nachgeschalteter Wärmespeicher oder ein vorgeschalteter Batteriespeicher) sichergestellt, was die Entkopplung des Energieverbrauchs vom Strombezug ermöglicht. Somit kann zu den vier günstigsten Stunden am Tag Strom zu Spotmarktpreisen bezogen und der Speicher aufgeladen werden. Mit der gespeicherten Energie wird der Prozess dann unabhängig vom externen Strombezug mit Prozesswärme versorgt. Abb. 1 zeigt den schematischen Aufbau mit einem optionalen Wärmetauscher.
• Hybrider Betrieb: Mit dem hybriden Betrieb ist die Kombination aus einem elektrischen Wärmeerzeuger und einem Gasbrenner gemeint. Der Prozess wird in Stunden mit niedrigen Strompreisen elektrisch beheizt. In Stunden mit hohen Strompreisen erfolgt die Beheizung mit Erdgas. Damit wird CO₂ nur teilweise vermieden. Diese Anwendungsart ist daher als Übergangslösung einzustufen.