Hocheffiziente Eigenstromerzeugung mit KWK
Bild 3. Ganglinie der Wärmeeinspeisung in das Fernwärmenetz in Gießen, Vorschau auf das Jahr 2035
Bild 4. Zeitliche Koinzidenz von strom- und wärmeseitigen Hochlastphasen in der Mittelspannungsnetzebene und im Fernwärmenetz in einem räumlich kongruenten Versorgungsgebiet
Wärmepumpen werden nahezu ausschließlich mit Elektroantrieben ausgestattet und sowohl als Großwärmepumpen als auch in großer Zahl mit jeweils kleiner Leistung für die Versorgung von Gebäudeeinzelheizungen eingesetzt. Sie tragen in erheblichem Umfang zur Steigerung des künftigen Strombedarfs in den Nieder- und Mittelspannungsnetzen bei. Der Stromversorgung muss daher bei der Konzeption der zukünftigen Wärmeversorgung in besonderer Weise Beachtung geschenkt werden.
Damit kommt der Eigenstromerzeugung mit KWK eine Schlüsselrolle zu. Das zukünftige Wärmeabsatzpotenzial im Fernwärmenetz ermöglicht den Betrieb dieser KWK-Anlage vorrangig zur Stromerzeugung zu Zeiten höherer Netzlasten. Die erhöhten stromseitigen Netzlasten fallen zeitlich zusammen mit den erhöhten Wärmelasten (Bild 4).
Das Konzept der bivalent-alternativen Wärmepumpen wird nicht nur wegen der Einschränkungen der Wärmepumpeneffizienz in Altbauten ohne vorangegangene gebäudephysikalische „Verjüngungskur“ und Modernisierung der vorhandenen Heizanlage gewählt, bei der auch im Vergleich zu monovalenter, d. h. 100%iger Wärmepumpenversorgung eine wesentlich kleinere Leistung zu deutlich niedrigeren Investkosten benötigt wird. Ein ebenso wichtiger Aspekt ist die Möglichkeit zur Abschaltung bei stromseitigen Lastspitzen während versorgungskritischer Zeiten. Hierfür genügt eine Abschaltdauer von rd. drei Wochen (rd. 480 bis 500 Stunden jährlich), die auf mehrere zeitlich nicht zusammenhängende Kurzeitphasen verteilt sind (Bild 5).
Zukünftig wird der überwiegende Teil des Gesamtstrombedarfs in Deutschland aus volatilen Quellen, d. h. Solar- und Windenergieanlagen, bereitgestellt. Die dabei auftretenden Niedrigleistungsphasen (Dunkelflauten) lassen sich nicht vollständig durch Elektroenergiespeicher überbrücken. Die gesamte Speicherinfrastruktur wird auch nur dann einen wesentlichen Beitrag zur Überbrückung der Erzeugungslücken leisten können, wenn sie aus einer Kombination von Kurzeitspeichern – im Regelfall große Batteriespeicher – und aus Langzeitspeichern besteht. Für die Langzeitspeicherung werden stoffliche Speicher benötigt, da nur bei diesen die Speicherverluste sehr niedrig gehalten werden. Für diese Speicherart sind flüssige Energieträger, z. B. Methanol, die erste Wahl [6;7]. Sehr große, auf die Deckung aller verbleibender Stromversorgungslücken dimensionierte batterieelektrische Speicher für die Langzeitspeicherung wären mit hohen Speicherverlusten und einem nicht vertretbaren hohen technischen und monetären Aufwand verbunden.
Diese Nachteile lassen sich vermeiden, indem verbleibende Versorgungslücken mit von zeitlich uneingeschränkt verfügbaren dezentralen – d. h. in den Mittel- und Niederspannungsnetzen betriebenen – Stromerzeugern geschlossen werden. Diese verbrauchernah platzierten und kurzzeitig verfügbaren Aggregate werden mit höchster Effizienz als KWK-Anlagen betrieben und können binnen kürzester Zeit zur Deckung der Residuallast ans Netz geschaltet werden (Bild 4).
Literatur
[1] Vermehren, MIT.N, interne Information SWG, am 11.8.2023
[2] Funk, M.; Richarts, F.: Beitrag der Kraft-Wärme-Kopplung zur Energiewende und die Umsetzung durch die Stadtwerke Gießen. EUROHEAT&POWER, H. 4-5 (2023), S. 18 – 23:
[3] Funk, M.; Osswald, R.; Richarts, F.: Roadmap Wärme. Internes Informationspapier SWG, Juli 2023.
[4] Funk, M.; Osswald, R.; Richarts, F.: Wärmepumpen in der Gebäudeheizung. Internes Informationspapier SWG, Oktober 2023.
[5] Richarts, F.; Michler, K.: Wärmepumpenanlagen für die Raumheizung, Auslegung – Energiebilanz – Wirtschaftlichkeit. VDI-Verlag, Düsseldorf 1082.
[6] Richarts, F.; Schlitt, R.; Koullen, L.: Dezentrale Speicherung und Rohstoffgewinnung. BWK BD. 73 (2021) Nr. 11-12, S. 54 bis 57.
[7] Richarts, F.: Biomass-hydrogen-methanol process chain. HySchool Bergen (NO), 08.03.2023.
Dipl.-Ing. (FH) Matthias Funk, Technischer Vorstand, Stadtwerke Gießen, Gießen, mfunk@stadtwerke-giessen.de, stadtwerke-giessen.de
Prof. Dr.-Ing. Fritz Richarts, Senior Scientist & Consultant, Stolberg, fritz.richarts@t-online.de