Prozesswärme Energiewende Die Dampf-Alternative: Energiespeicher für die Wärmewende

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Zwei Fliegen mit einer Klappe: Wärmespeicher könnten eine nachhaltige Alternative zu Heizdampf bei der Erzeugung von Prozesswärme sein und zugleich helfen, die fluktuierende Erzeugung erneuerbarer Energien zu puffern. Anders als bei Batteriespeichern braucht es dafür nicht einmal exotische Materialien…

Bitte wenden! Daran, dass nach der politischen die Energiewende und im Anschluss daran rasch die Verkehrswende ausgerufen wurde, haben wir uns gewöhnt. Dass Strom nicht einfach aus der Steckdose kommt und das Auto in manchen Kreisen mit argwöhnischer Skepsis betrachtet wird – geschenkt. Der größte Energieverbraucher in Haushalt und Gewerbe konnte lange weiter unter dem Radar fliegen: Wärme. Mehr als die Hälfte jeder in Deutschland verbrauchten Kilowattstunde dient dem Heizen oder Kühlen.

Zwar ist dieser Wert seit den 90ern rückläufig, doch allein für die Prozesswärme werden jährlich 2415 Petajoule benötigt – davon rund 22 Prozent aus elektrischer Energie. Der Rest kommt – man ahnt es – aus fossilen Quellen und Verbrennungsprozessen, allen voran Gas, aber auch Öl. Kein Wunder, dass der Ruf nach einer „Wärmewende“ 2022 nicht erst seit der Zerstörung der beiden Nord-Stream-Pipelines immer lauter wird. Gleichzeitig soll die Industrie, insbesondere die Prozessindustrie, ihre großen kontinuierlichen Produktionsverfahren mit naturgemäß fluktuierenden Energien aus Wind- und Solarkraftwerken betreiben. Schluss also mit verlässlicher Grundlast und in Zukunft produzieren nach dem Wetterbericht?

Eines ist klar: Die Wärmewende wird kein Spaziergang und schon gar nicht für den Gegenwert „einer Kugel Eis“ (den Preis, den der damalige Umweltminister Jürgen Trittin 2004 für die Energiewende versprochen hatte) zu haben sein. Entsprechend fieberhaft sucht die Industrie nach alternativen Rohstoffquellen wie emissionsneutral erzeugtem Wasserstoff, Methanol oder Ammoniak oder Ansätzen zur Elektrifizierung bestehender Prozesse. Wie soll die Prozesswärme der Zukunft aussehen?

Die Anforderungen sind klar: Möglichst ohne CO₂-„Rucksack“, verlässlich und am Ende des Tages auch bezahlbar müssen die Technologien für die Defossilierung der Prozesswärme sein – eine Art eierlegender Wollmilchsau also. Sind diese Wünsche unvereinbar? Tatsächlich sollen physikalische Wärmespeicher genau das leisten können: Indem sie Prozesswärme elektrisch erzeugen und nachhaltig speichern, könnten die Anlagen eine stabile Alternative zu Gasöfen und Co. sein und zugleich die mit Wind und Sonnenstand schwankenden erneuerbaren Energien zuverlässig puffern.

Prozesswärme/Energiewende

Kommt jetzt die Wärmewende? So wird die Prozesswärme fossilfrei

Das zumindest meint Peter Kordt, Geschäftsführer bei Lumenion: „Wir kennen den Anblick stillstehender Windräder, die sich nicht drehen – nicht etwa, weil sie kaputt wären, sondern weil man sie sie abregelt“, erklärt der Experte für thermische Energiespeicher. „Gerade wenn wir in Deutschland vergleichsweise geringe Vollaststunden haben, sollte man wenigstens diese möglichst komplett ausnutzen. Auf der einen Seite haben wir solche Spitzen, auf der anderen Seite viele Prozesse, die eine konstante Versorgung benötigen.“

Stahl als Energiespeicher? Warum Metall Batterie und Thermalöl schlägt

Das Mittel zum Zweck aus Kordts Sicht: Sogenannte „sensible“ Wärmespeicher – also solche, bei denen sich die Temperatur eines Speichermediums fühlbar (sensibel) verändert. Ideen, einen derartigen Speicherkern ähnlich eines großen Nachtspeicherofens elektrisch zu beheizen um dann bei Bedarf Wärme quasi auf Abruf zur Verfügung ausspeichern zu können, gibt es einige, wie der Lumenion-CEO betont: „Technisch ist ein derartiger Speicher fast kein Risiko. Das Problem ist vielmehr, ihn in unser Energiesystem einzubinden mit allen dazugehörigen regulatorischen Fragen.“

Viele setzen auf keramische Werkstoffe oder Thermalöle, um Energie zu speichern. Doch bleibt die Frage, wie nachhaltig Rohstoffe sind oder ob ein Medienaustritt sicher verhindert werden kann – deswegen setzt Lumenion beim Speichern auf einen einfach verfügbaren und unkritischen Werkstoff: Stahl. „Stahl hat gute Eigenschaften als Wärmespeicher und hat dazu den großen Vorteil, dass er sehr gut verfügbar ist. Außerdem ist er vollständig recycelbar und der Umgang damit bekannt“, erläutert Kordt auf Nachfrage. Anders als Batteriespeicher braucht der Stahlkern keine exotischen Rohstoffe oder seltene Erden und kann auch nicht – wie etwa Salzschmelzen oder Thermalöle – durch eine etwaige Leckage austreten und zum Sicherheitsrisiko in feuer- oder explosionsgefährdeten Bereichen werden.

Rein, raus, speichern: Nachhaltige Prozesswärme trotz oder Dank erneuerbarer Energie?

Die Wärmeexperten blasen heiße Luft in den isolierten Speicherkern ein, um die darin befindlichen Rundstäbe auf mehrere hundert Grad Celsius aufzuheizen. Wird Energie benötigt, wird die austretende heiße Luft über Wärmetauscher oder einen Dampferzeuger abgekühlt. Da der Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung in Wärme sehr gut ist, liegt der Gesamtwirkungsgrad des Speichers bei 90 Prozent und höher. Mit Temperaturen zwischen 100 ° C und 400 ° C liegt die Wärmeabgabe im Bereich typischer Heißdampfanwendungen, die man in der Prozessindustrie massenhaft findet.

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Aber damit nicht genug: Wenn sich die Kombination aus elektrischem Heizregister und thermischem Energiespeicher gegen Gasbrenner und Batterie durchsetzen soll, muss auch die Nachhaltigkeit stimmen, weiß der Energie-Experte: „Unser Anspruch ist, dass der ganze Prozess CO₂-frei abläuft, und keine fossilen Brennstoffe zum Einsatz kommen, um zum Beispiel Dampf zu erzeugen. Wir haben ein derartiges Projekt mit einer Papierfabrik in Portugal, bei dem es um die Dampferzeugung in Kombination mit einer PV-Anlage geht.“ Sogar eine Rückverstromung wäre prinzipiell denkbar, würde aber den Wirkungsgrad deutlich verschlechtern. Nach Ansicht von Technologie-Spezialisten wäre sie auch gar nicht nötig, nutzt doch quasi jeder Sektor an der einen oder anderen Stelle Heißdampf in seinen Produktionsprozessen.

Prozesswärme aus der Dose: Welches Potenzial lässt sich speichern?

Prinzipiell ließen sich kurzfristig auf diese Weise Speicher in der Größenordnung von 20 bis 100 MWh (in Sprüngen a 20 MWh) realisieren, erklärt Kordt. „Im Prinzip ist die nach oben gibt es keine Grenze: Der Speicher lässt sich natürlich nach oben skalieren. Schon jetzt sind Projekte etwa im Bereich bis hundert Megawattstunden kurzfristig umsetzbar.“ Derzeit arbeiten die Entwickler bei Lumenion an einem 20-MWh-Speicher, der rund 600 Tonnen wiegt. Ein entsprechendes Fundament ist daher ein Muss, bestätigt Kordt. Mit der bereitgestellten Energie sollen am neuen Produktionsstandort von Westhof Bio, einem der größten Produzenten von Biogemüse täglich rund 240 Tonnen Tiefkühlgemüse verarbeitet werden. Auch beim Anlagenbau selbst unterstützt Lumenion die Kunden, so dass die Gemüse-Experten den neuen Energiespeicher quasi schlüsselfertig übergeben bekamen.

Das größte Potenzial für Wärmespeicher sieht der Lumenion-Chef allerdings in der Möglichkeit, Leistungsspitzen bei der Erzeugung erneuerbarer Energie zu nutzen, statt Windkraftwerke abzuregeln. Dadurch, dass die Energiespitzen zur Produktion von Speicherwärme genutzt würde, könnte ein Großteil dieses überschüssigen Stroms aufgefangen werden, meint Kordt. Auch sei perspektivisch die Nutzung von industrieller Abwärme, nicht zuletzt von Elektrolyseuren oder Brennstoffzellen denkbar. Natürlich ließe sich sogar die überschüssige Wärme aus Verbrennungsprozessen einspeichern, etwa wenn in einem Kraftwerk die Generatorenleistung gedrosselt würde – die entsprechende Laststeuerung des Speichers wollen die Apparatebauer gleich mitliefern.

Groß denken, klein anfangen: Die Wärmewende könnte heute beginnen

Allerdings müssen dafür Prophet und Berg zueinander finden: Am meisten Sinn ergebe ein derartiger Speicher an einem Ort, an dem Energieerzeugung und Verbraucher nicht zu weit auseinander lägen. Aber welcher Chemiestandort hat schon seinen eigenen Windpark vor Ort? Dann ließen sich allerdings Kosten von etwa zwei bis fünf Cent pro Kilowattstunde realisieren, erklärt Lumenion. Auch ein Return-of-Investment sei innerhalb weniger Jahre vorstellbar. „In Berlin haben wir einen derartigen Speicher in der Hochschule an der HTW gebaut", so Kordt. Ein weiterer Speicher in der Hauptstadt wird gemeinsam mit Vattenfall betrieben und versorgt - zusammen mit einer bestehenden Wärmeversorgungsanlage einen Wohnblock mit 362 Wohnungen in Berlin-Tegel.

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Ein großes Potenzial sieht ,man bei Lumenion in der energieintensiven Chemieindustrie: „Die Chemie braucht Dampf und kennt sich mit Dampfnetzen aus – Durch den Einsatz von thermischen Energiespeichern können wir jetzt erneuerbare Energien bedarfsgerecht zur Verfügung stellen. Das wäre aus meiner Sicht ein großer Schritt in Richtung Dekarbonisierung.“

Und der kann durchaus klein beginnen: „Wir müssen ja nicht gleich den kompletten Dampf bedarf eines Chemiestandorts dekarbonisieren“, gibt Wärmespezialist Kordt zu bedenken. „Wir wären ja schon froh, wenn man mit einem kleinen Speicher anfängt. Ich bin überzeugt, dass das einen sofortigen Nutzen für das Werk hätte - dann könnte man schrittweise weitere Speicher aufbauen.“

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