Gas- und Wärmenetze speichern Strom
Die deutsche Stromversorgung muss künftig flexibler ausgelegt werden, um den wachsenden Anteil an fluktuierender erneuerbarer Erzeugung zu integrieren.
Wärme- und Gasnetze können schon jetzt einen Teil dieser Schwankungen ausgleichen und dazu beitragen, das künftige Energiesystem zu stabilisieren. Im Projekt Multi-Grid-Storage untersuchten Wissenschaftler des Fraunhofer IFAM wie die Energie des überschüssigen Stroms als Wärme oder Gas gespeichert werden kann und bei Bedarf als elektrische Energie wieder verfügbar ist.
Im Forschungsprojekt Multi-Grid-Storage analysierten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM wie die Strom-, Gas- und Wärmeversorgung verknüpft werden können, um eine unflexible Stromerzeugung auszugleichen. Energie aus überschüssigem Strom kann über Elektrokessel oder Wärmepumpen in ein Wärmenetz beziehungsweise durch Elektrolyse als Gas ins Gasnetz eingebracht werden. „Wenn am gleichen Netz eine Anlage zur Stromerzeugung angeschlossen ist – etwa eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage –, wird Strom aus dem System quasi ausgespeist“, erklärt Max Fette, Projektleiter des Multi-Grid-Storage-Projektes.
Eine Umwandlungskette aus Elektrolyseur, optional in Kombination mit einer Methanisierungsanlage, Gasnetz und KWK-Anlage kann als sogenannte Speicherkette verstanden werden. Gleiches gilt – wenn auch nur bilanziell – für eine Kette aus Elektrokessel beziehungsweise Wärmepumpe, Wärmenetz und KWK-Anlage. In diesem Fall wird nicht die Wärme selbst zurückverstromt, sondern vielmehr das Gas, welches dadurch eingespart wurde, dass die Wärme aus Strom und nicht aus Gas erzeugt wurde. Speicherketten erfüllen also die gleiche Funktion wie klassische Stromspeicher.
In einem ersten Schritt stellten Forscher des Projektes Multi-Grid-Storage – kurz MuGriSto – Effizienz und Kosten der unterschiedlichen Speicherketten gegenüber. „Wärmeketten können schon heute vergleichsweise effizient und kostengünstig sein“, sagt Max Fette und ergänzt: „Diese erste Analyse zeigte, dass die Kosten der ‚Gasketten’ momentan weit über denen der anderen untersuchten Speicherketten liegen.“
Modell analysiert den Strommarkt
Die Wissenschaftler entwickelten darüber hinaus ein Modell, MuGriFlex genannt. Es berechnet Wechselwirkungen unterschiedlicher Energiewandler innerhalb einer wärme- oder gasbasierten Speicherkette. Das Modell analysiert Energiewandlungsketten hinsichtlich wirtschaftlicher und technischer Aspekte, die abhängig von variablen Anlagenkenndaten und energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen sind.
MuGriFlex optimiert stundenscharf anhand der aktuellen Strompreise den Strombezug von Elektrokessel oder Elektrolyseur sowie die Stromproduktion der KWK-Anlage. Überschüssige Wärme wird eingespeichert und der verbleibende Wärmebedarf aus dem Speicher oder von einem Gaskessel gedeckt. Der Verlauf der Strompreise und des Wärmebedarfes wird MuGriFlex als Input vorgegeben. Anlagenparameter wie Anlagenkapazität, Wirkungsgrade oder Brennstoffkosten sowie energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen – etwa die auf den Strombezug aufzuschlagenden Abgaben oder die KWK-Förderung – lassen sich frei variieren. Untersuchte Parameter sind zum Beispiel die Abhängigkeit der Volllaststunden und der Amortisationszeit von:
- der Größe des Wärmespeichers im Power-to-Heat-System
- der Höhe der Abgaben für Strom für Power-to-Heat- und Power-to-Gas-Anlagen
- der Höhe der KWKG-Zuschläge
- Gaspreisen oder Wirkungsgraden von Power-to-Gas-Anlagen
Weiterentwickelte Marktmechanismen
Die Wissenschaftler fanden heraus, dass bestimmte Rahmenbedingungen, wie zum Beispiel Netzentgelte, nachteilig für die flexible Nutzung aus Wärme- und Gasnetzen sind. Daher entwickelten die Forscher Vorschläge, um bestehende Rahmenbedingungen zu ändern. „Unsere Analysen zeigen, dass bei Eingriffen in die Rahmenbedingungen jedoch Vorsicht geboten ist. Zum Beispiel kann eine geringfügige Veränderung der Abgaben auf Strom für Power-to-Heat-Anlagen dazu führen, dass der Betrieb von Wärmepumpen in Stunden attraktiv wird, in denen die Wärmepumpe nicht systemdienlich ist. Denn sie würden zu dieser Zeit die Residuallast weiter vergrößern“, führt der Projektleiter weiter aus.
Weiterhin fanden die MuGriSto-Forscher heraus, dass die Power-to-Gas-Anlagen unter den zu Grunde gelegten Annahmen, wie Investitionskosten oder Entwicklung der Spotmarktpreise, der zukünftigen Spotmarktpreise und Entwicklung der Wirkungsgrade und Anlagenkosten auch in Zukunft nicht zwingend wirtschaftlich betrieben werden können. Um die Anzahl der Volllaststunden zu erhöhen und damit einen Beitrag zum Ausgleich schwankender erneuerbarer Stromerzeugung leisten zu können, ist entweder eine Förderung oder andere Absatzwege für das mit den Anlagen erzeugte grüne Gas notwendig.
Die Forscher des Fraunhofer IFAM planen für die Zukunft den Einsatz und die Weiterentwicklung des Modells, um weitere Fragen des Zusammenspiels der Sektoren Strom, Wärme und Gas zu beantworten.
