Stromüberschuss sinnvoll einsetzen

Der Begriff "Power-To-Heat" nimmt einen immer größeren Stellenwert in der Energiewende ein. Das Prinzip ist einfach: Elektrische Energie wird mit einem Wirkungsgrad von fast 100% in Wärme umgewandelt. Die vermeintliche ökologische Sünde, den wertvollen Strom in Wärme umzuwandeln, ergibt bei genauerer Betrachtung durchaus Sinn und eröffnet einen neuen lukrativen Markt in Zeiten extrem - bis in den negativen Bereich hinein - schwankender Strompreise.

Erneuerbare Energien sind die Zukunft der Stromerzeugung in Deutschland, sorgen allerdings gleichzeitig auch für starke Schwankungen im Stromnetz. Windkraft- und Photovoltaikanlagen liefern je nach Wetterlage unterschiedliche Mengen an Strom. Um diese Schwankungen auszugleichen, muss einerseits die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien geregelt, manchmal sogar komplett vom Netz genommen werden, aber auch die Verbraucher in ihren Lasten flexibilisiert werden (Demand Response). Nur durch komplexe Steuerungsmechanismen kann eine konstante Frequenz von 50 Hertz eingehalten werden. Die Deutschen Netzbetreiber sind verpflichtet, die Netzfrequenz konstant auf 50 Hertz zu halten und Schwankungen durch den Stromüberschuss bzw. Strommangel auszugleichen.

Damit ein möglicher Überschuss an Strom nicht ungenutzt bleibt, kann dieser durch Power-To-Heat-Anlagen in Wärme umgewandelt und in ein Wärmenetz eingespeist werden.

Power-To-Heat-Anlagen können sowohl im Niedertemperaturbereich als auch im Hochtemperaturbereich (Dampf) ihren Einsatz finden.

Im dezentralen Niedertemperaturbereich werden vor allem Heizstäbe oder Heizpatronen eingesetzt. Im Hochtemperaturbereich werden Elektrodenheizkessel (EHK) eingesetzt. Mit einem EHK ist eine Erzeugung von Prozessdampf von bis zu 30 bar technisch möglich. Der so erzeugte Sattdampf kann mit einem nachgeschalteten Elektrodendurchlauferhitzer auf höhere Temperaturen überhitzt und damit auch höheren Anforderungen an die Dampferzeugung gerecht werden.

Die Dampferzeugung basiert auf dem elektrischen Widerstand des Kesselwassers, dessen elektrische Leitfähigkeit entsprechend gering sein muss (Regelung auf 60 μS/cm). Dies macht eine leistungsfähige Wasseraufbereitung zwingend notwendig. Der Wirkungsgrad des Elektrodenheizkessels hängt maßgeblich von der zur Verfügung stehenden Wasserqualität ab und ist im Allgemeinen deutlich höher als der Wirkungsgrad eines Dampfkessels, da keine thermischen Verluste durch heiße Abgase entstehen.

Wärmespeicher gehören nicht zum Standardrepertoire einer Power-To-Heat-Anlage, können allerdings einen flexibleren Einsatz ermöglichen. So können Power-To-Heat-Anlagen mit Wärmespeichern im Falle eines Regelleistungsbedarfs am Sekundär- und Minutenreservemarkt teilnehmen ohne die Wärme zeitgleich in das Fernwärmenetz einspeisen zu müssen (z.B. im Sommer).

Investitionskosten bei Elektroheizkesseln, die vorrangig im Fernwärmenetz Anwendung finden, belaufen sich auf etwa 75-100 Euro pro Kilowatt. Die Kosten variieren je nach Anwendungsgebiet und bereits vorhandener Infrastruktur. Im Hochtemperaturbereich müssen höhere Anforderungen an die Anlage gestellt werden, wodurch die Investitionskosten doppelt so hoch sein können. Diese belaufen sich auf etwa 100-200 Euro pro Kilowatt. Besonders lukrativ sind große Anlagen, die sich bei aktuellen Leistungspreisen im Regelmarkt bereits nach drei bis fünf Jahren amortisieren können. Kleinere, dezentrale Anlagen erweisen sich wirtschaftlich als weniger profitabel, da hier höhere spezifische Kosten, bei gleichen spezifischen Erlösen, zu Buche schlagen.

Die jährlichen Wartungskosten belaufen sich auf etwa 3% der Investitionssumme und sind vergleichbar mit einer Erdgas-Kessel-Anlage. Klassische Verschleißteile gibt es nicht. Eine Power-To-Heat-Anlage muss trotzdem einmal im Jahr für zwei Tage gewartet werden. Die Pumpen, Ventile und Wasser-/Dampf-/Kondensat-Mimik etc. unterliegen dem gleichen Verschleiß wie ein klassisches Dampfkessel-System.

Bei einer zentralen Power-To-Heat-Anlage wird die vom Strom umgewandelte Wärme in ein Versorgungsnetz gespeist. Ein klassisches Beispiel für ein solches Wärmeversorgungsnetz ist das Fernwärmesystem eines Stadtwerkes. Dabei wird die produzierte Wärme über ein isoliertes Rohrsystem an den Verbraucher geleitet.

KWK-Anlagen, wie beispielsweise die Kombination eines Biogas-BHKW mit einer Power-To-Heat-Anlage besitzen den Vorteil, dass dieser Komplex zusammen sehr effizient arbeitet und eine anschließende Wärmenutzung oftmals geben ist. Durch die Regelung der Power-To-Heat-Anlagen ist ein kontinuierlicher Betrieb der KWK-Anlage gegeben, welche somit die volle Leistung zur Verfügung stellen kann.

Der Regelenergiemarkt hat die Aufgabe, Schwankungen im Stromnetz auszugleichen. In der heutigen Zeit wird bei der Stromgewinnung vermehrt auf den Gebrauch von erneuerbaren Energien gesetzt. Obwohl Wind und Sonne nicht konstant über das gesamte Jahr die gleiche Leistung erbringen, kann die Stromversorgung in Deutschland durchgehend aufrechterhalten werden. Dies erfolgt durch die Regelenergie, die genau dann eingreift, wenn ein Ungleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch besteht. Diese Reserve gleicht Schwankungen innerhalb von Sekunden "Primärreserve", fünf Minuten "Sekundärreserve" oder Viertelstunde "Minutenreserve" aus.

Die Regel-Energie wird zum einen in die "positive Regelenergie" und zum anderen in die "negative Regelenergie" eingeteilt. Bei der "positiven Regelenergie" herrscht eine erhöhte Nachfrage an Strom als es Erzeugungskapazitäten gibt, weshalb schnell Strom in das Netz eingespeist werden muss. Bei der "negativen Regelenergie" wird ein Ausgleich des Netzes bei einer zu geringen Nachfrage bewirkt. In diesem Fall muss Strom aus dem Netz entnommen werden. Der Betreiber eines Kraftwerkes, das am Regelenergiemarkt aktiv ist, erhält eine Gebühr für die Bereitstellung von Zusatzkapazitäten ("positive Regelenergie") oder für die Drosselung der Einspeisung ("negative Regelenergie"). Die Power-To-Heat-Anlage findet ihr Anwendungsgebiet hauptsächlich im Bereich der "negativen Regelenergie".

In Zeiten von negativen Strompreisen können einige konventionelle Kraftwerke nicht vom Markt gehen, da sie nicht schnell genug regeln können (z.B. Kernkraftwerke).

Durch den Gebrauch der Power-To-Heat-Anlagen kann die Kapazität von konventionellen Kraftwerken reduziert werden, was letztendlich zu einem effizienteren Gebrauch der erneuerbaren Energien und zu einer Reduzierung der CO2-Emission führt.

In Zeiten erhöhter Stromproduktion von Erneuerbaren Energien (EE)-Anlagen, kann es zu Netzüberlastungen kommen, die der Netzbetreiber überwachen muss. In diesem Fall werden bei starkem Wind Windkraftanlagen abgeschaltet, die Betreiber dieser Anlagen erhalten dennoch die Zuschüsse. Der sonst abgeregelte Strom kann mit einer Power-To-Heat-Anlage genutzt werden und zu volkswirtschaftlichen Vorteilen führen. Dieses Prinzip der Entlastung der Netze erfolgt über das sogenannte Einspeisemanagement.

Strompreise an der Börse können in gewissen Situationen einen negativen Betrag erreichen. Dies geschieht in Zeiten, in denen das Angebot die Nachfrage überschreitet. Kauft der Power-To-Heat Betreiber diesen Strom, so kann er diesen Angebotsüberschuss sinnvoll nutzen, um kostengünstig Wärme zu produzieren. Der ökologisch saubere Strom erzeugt somit sehr effizient Wärme. Die Stunden mit negativen Strompreisen machen allerdings zur jetzigen Zeit noch einen sehr geringen Anteil im Jahresverlauf aus. Im Jahr 2014 kam es an 64 Stunden zu negativen Preisen, was bezogen auf das gesamte Jahr einen geringen Anteil von 0,73% ausmachte. Insgesamt ist aber eine steigende Tendenz zu erkennen. Im Jahr 2015 hat sich der Anteil der negativen Energien auf den Wert 1,4 % nahezu verdoppelt.

Die EEG-Umlage fördert die Produktion von Strom aus erneuerbaren Energien. Bis 2025 soll die Stromversorgung zu mindestens 40-45% aus erneuerbaren Energien realisiert werden und so die Energiewende vorantreiben. Der "grüne Strom" erzielt an der Börse jedoch nicht die notwendigen Erträge, die Betreiber benötigen, um wirtschaftlich zu operieren. Der Differenzbetrag wird von der EEG-Umlage ausgeglichen und letztendlich auf den Stromverbraucher umgelegt. Die EEG-Umlage muss bis auf wenige Ausnahmen von allen Stromverbrauchern bezahlt werden. Ausgenommen werden vor allem Unternehmen in energieintensiven Branchen, die sonst auf dem internationalen Markt mit der EEG-Umlage nicht konkurrenzfähig wären.

  • niedrige spezifische Investitionskosten bei Großanlagen (über 10 MW Leistung)
  • je nach Strommix teilweise deutliche CO2-Emissionsreduktion (jede MWh Dampf aus regenerativem Strom spart 0,22 t CO2 im Vergleich zu Erdgas)
  • jährliche Erlöse durch Demand Response/Regelenergievermarktung in TRL und SRL
  • zusätzlicher Strom für EHK kann durch entsprechendes Lastmanagement ohne zusätzlichen Netz-Leistungspreis bezogen werden → ideal bei zeitlichem Versatz im Strom- und Dampfbedarf
  • bewährte Technik, wird in Skandinavien seit 30 Jahren eingesetzt
  • ideal für explosionsgeschützte Bereiche → keine Verbrennung, kein Feuer
  • ideal bei sehr strengen Emissionsanforderungen → kein Abgas
  • EHK kann 72 Stunden beaufsichtigungsfrei betrieben werden

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