Energie ohne Grenzen – Wie Norddeutschland mit Ökostrom heizt

von Janina Grimm, 
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Bei der Energiewende von heute geht es nicht mehr allein darum, Strom so klimafreundlich wie möglich zu machen. Der Blick richtet sich auch immer mehr auf innovative Ansätze zur Verwertung  des gewonnenen Ökostroms für die Wärmegewinnung und den Verkehrssektor. Hier spielt der Einsatz von Öl, Erdgas und Kohle nach wie vor eine übergeordnete Rolle. Zukünftig sollen in diesen beiden Sektoren fossile Brennstoffe durch grünen Strom ersetzt werden. Dafür muss er gespeichert werden können. Das ist eine physikalische wie ökonomische Herausforderung. Dieser stellen sich seit mehr als drei Jahren rund 60 Akteure aus Schleswig-Holstein und Hamburg. Im Rahmen des vom BMWi geförderten Forschungsprojekts „Norddeutsche EnergieWende 4.0“ erproben sie unterschiedliche Technologien, die die Sektoren Strom, Gebäude, Verkehr und Industrie miteinander verzahnen können. Power-to-Heat ist eine davon. Wie diese Schlüsseltechnologie das Heizen neu denkt und emissionsarmer gestaltet, zeigen drei wichtige Teilprojekte von NEW 4.0.

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Industrie, Haus und Wasser mit überschüssigem Windstrom heizen - das ist Power-to-Heat

Allgemein gesprochen meint Power-to-Heat die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie. Aufgrund hoher Strompreise sind allerdings nicht alle PtH-Anwendungen wirtschaftlich sinnvoll. Deswegen wird PtH maßgeblich im Zusammenhang mit der Nutzung von zeitweise anfallenden Überschussstrom genutzt. Dieser unvorhergesehene tritt heutzutage, in Zeiten zunehmend schwankender Stromerzeugung, immer häufiger auf. Grund dafür ist der Zubau von Windkraft- und Solaranlagen bei gleichzeitig stockendem Stromtrassenausbau in Deutschland. Kann Ökostrom nicht zu vollem Umfang in die überfrachteten Netze gespeist werden, droht die Abregelung der Anlagen. Weil Power-to-Heat-Technologien in der Lage sind, diese Erzeugungsüberschüsse zu verwerten, stellen sie für das Gelingen einer ganzheitlichen Energiewende einen wichtigen Baustein dar.

Einsatzfelder, Technologien und Methoden

Nicht jedes Gerät zur elektrischen Wassererwärmung eignet sich für die klimaneutrale Sektorenkopplung. Denn in der Praxis werden PtH-Anlagen dann eingesetzt, wenn Überkapazitäten an erneuerbaren Energien bestehen. Zu anderen Zeiten muss der Wärmebedarf aus anderen Quellen gedeckt werden. Daraus resultieren Einschränkungen für den Einsatz unterschiedlicher PtH-Technologien.

Elektrospeicherheizungen sind zum Beispiel kaum geeignet. Denn sie produzieren Wärme nach Bedarf, weshalb sie sich nur begrenzt dem Stromangebot anpassen können. Anders verhält es sich mit Fernwärmenetzen, wo ständig sehr große Wärmemengen umgesetzt werden müssen. Besonders lohnt es sich dann, wenn das Fernwärmenetz im Regelfall mit Gas betrieben werden. Denn Gaskraftwerke sind flexibler zu regulieren als Kohle- oder Kernkraftwerke. Mit der Zuschaltung von Elektrodenheizkesseln, die eine sehr hohe Energieleistung aufweisen, können im Fall von Stromüberschüssen bedeutende Mengen an Gas eingespart als auch die Abregelung von klimaschonenden Windkraftstrom verhindert werden. Da in Deutschland die vorhandenen Fernwärmenetze mehrere Gigawatt Leistung umsetzen, sind sie mit entsprechender PtH-Technik auch problemlos in der Lage, kurzfristig einige Extragigawatts aus Windkraftanlagen aufzunehmen. Die Inbetriebnahme von großen Elektrodenkesseln lohnt sich vor allem in den Übergangs- und Wintermonaten, wenn besonders viel Wind weht und gleichzeitig viel geheizt wird.

Konkrete Anwendungsbeispiele von Power-to-Heat in Norddeutschland

Im Rahmen des Forschungsprojekts Norddeutsche EnergieWende 4.0, das sich seit Ende 2016 zum Ziel setzt, innovative Konzepte zur Flexibilisierung von Energieerzeugung und -verbrauch zu entwickeln und die Praxistauglichkeit nachzuweisen, sind drei Power-to-Heat-Anlagen gebaut und in Betrieb gegangen.

Das größte Testprojekt ist in Hamburg beheimatet und wird von Vattenfall betrieben. Seit 2017 hat der schwedische Energiekonzern mit Unterstützung des BMWi rund sechs Millionen Euro in die Hand genommen, um den bisher größten Elektroheizkessel in Deutschland ans städtische Wärmesystem zu koppeln. Vattenfalls Power-to-Heat-Anlage befindet sich im Hamburger Karolinenviertel. Unter Hanseaten wird sie deshalb auch „Karoline“ genannt.

Karoline ist sieben Meter hoch, hat ein Fassungsvolumen von 20 Kubikmetern und verfügt über technische Zusatzkomponenten, wie Wärmetauscher und Trafo. Mit einer Leistung von 45 Megawatt und einer Umwälzmenge von bis zu 900.000 Litern Wasser pro Stunde kann die Anlage heißes Wasser von 90 bis 133 Grad Celsius erzeugen und damit rund 13.500 Wohneinheiten mit Wärme versorgen. Ihre erste Megawattstunde lieferte Karoline im September 2018. Eingeweiht wurde sie ein paar Monate später, am 29. November 2018.

Ihr Einsatz verspricht Hilfe beim Spitzenlastmanagement und bei der Dekarbonisierung des Wärmesektors. Letzteres gelingt ihr vor allem deswegen, weil sie in erster Linie mit Strom aus norddeutschen Windparks betrieben wird. Das birgt weitere positive Nebeneffekte, wie die Abregelung von Windkraftanlagen in Schleswig-Holstein und damit verbundenen geringeren Redispatch-Kosten.

Noch vor Karoline zeigte ein kommunaler Versorger im hohen Norden des Landes wie sich mit Windenergie Wärme erzeugen lässt. Im November 2017 installierten die Stadtwerke Flensburg ihren zwei Millionen Euro teuren Elektrodenheizkessel mit einer installierten Leistung von 800 kW. Auch hier wird Grünstrom verwendet, um hundert Grad heißes Wasser für das Fernwärmenetz der Stadt zu produzieren. Wie bei Karoline, läuft Flensburgs PtH-Anlage allerdings nicht im Dauermodus. Angeschaltet wird der Kessel nur bei einer zu hohen Stromnetzbelastung. Konkret kann die Stadtwerke den Strom von rund 15 großen Windrädern weiterverwerten, der ansonsten einfach verloren gegangen wäre. Damit tragen sie zur Netzstabilität und Versorgungssicherheit bei. Im Gegenzug erhalten sie von den Netzbetreibern eine attraktive Vergütung.

Mit speziellen Power-to-Heat-Anlagen bringt sich auch die HanseWerk Natur GmbH in das Großprojekt NEW 4.0 ein. Rund 15 Blockheizkraftwerke mit einer elektrischen Leistung von ca. 6,5 Megawatt sollen mit PtH-Anlagen verknüpft und somit um eine thermische Leistung von rund 4 Megawatt erweitert werden. Ziel ist es, mit dieser BHKW-Erweiterung das Wärmeerzeugungs-Portfolio der HanseWerk-Gruppe zu erweitern und darüber hinaus mit Grünstrom Wasser erhitzen, um überschüssige regenerative Energien als Wärme in die Nah- und Fernwärmenetze einzuspeisen. Zum gleichen Zweck, baute HanseWerk Natur 2018 an ihrem Standort in Schwarzenbek noch einen neuen Elektrokessel. Mit einer Leistung von rund 200kW reduziert der Elektrokessel in Zeiten hoher Windenergieeinspeisung die Wärmeproduktion der örtlich bereits installierten Gaskessel.

Was haben wir nach drei Jahren Projektlaufzeit gelernt – Sind Power-to-Heat-Technologien zukunftsfähig?

Power-to-Heat ist eine ausgereifte Technologie. Sie kann in der Wärmeversorgung perspektivisch eine sinnvolle und auch notwendige Ergänzung zu anderen Technologien darstellen. Aus volkswirtschaftlicher und klimapolitischer Perspektive ist ihr Einsatz sinnvoll, insbesondere in Energiesystemen mit einem hohen „Grünstrom“-Anteil. Deswegen bietet sich der windkraftstarke Norden besonders gut an. Wenn Power-to-Heat, dann in Hamburg und Schleswig-Holstein! Anstatt dass überschüssiger  Windstrom der Region einfach verloren geht und trotzdem dafür gezahlt werden muss, kann dieser für die Wärmeversorgung eingesetzt werden.

Allerdings sind sich die involvierten Projektpartner von NEW 4.0 einig darüber, dass die derzeitigen energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen einen wirtschaftlichen Betrieb kaum zulassen. Daher ist die Politik hier mehr denn je gefragt.

Über die Autorin

Profilbild zu: Janina Grimm

Seit September 2019 unterstütze ich als studentische Hilfskraft das gesamte Team des Clusters für Erneuerbare Energien Hamburg bei der Entwicklung, Umsetzung und Nachbereitung vielfältiger Fachveranstaltungen. Parallel studiere ich meinen Master in Energy Policy. Diese Kombination aus Praxis und Theorie birgt viele tolle Chancen, meine Kenntnisse im Bereich der Erneuerbaren-Energien-Branche und nachhaltiger Energiepolitik zu vertiefen. (Janina Grimm)

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