Fernwärmespeicher

Fernwärmespeicher sind zumeist drucklose, mit Wasser gefüllte Behälter, die Schwankungen im Wärmebedarf des Fernwärmenetzes bei gleicher Erzeugungsleistung der Fernheizwerke ausgleichen sollen. Analog kann diese Art der Wärmespeicher auch in Fernkältenetzen zur Speicherung von Kaltwasser eingesetzt werden.

Fernwärmespeicher zur Beheizung von 1.600 Wohneinheiten in London; errichtet etwa 1960.

Anwendung und Nutzen

Fernwärmespeicher mit 100 m³ Inhalt eines Biomasseheizwerkes, rund 4 MWh Speichervermögen je Ladevorgang in Maria Gugging

Fernwärmenetze liefern den Kunden die notwendige Wärme für Heizzwecke, Warmwasserbereitung und als Prozesswärme. Der Wärmebedarf bei Tag (etwa in der Zeit von 7 bis 20 Uhr) ist wesentlich höher als in der Nacht und insbesondere die Tagesverbrauchsspitze in der Zeit von 7 bis 9 Uhr ist manchmal fast dreimal so hoch wie die Leistungsabgabe in der Nacht (vgl. Nachtabsenkung). Diese Leistungsspitzen müssen durch Wärmeerzeugungsanlagen bereitgestellt werden, was die Vorhaltung von Kapazitäten für die Spitzenlast erfordert, die nur kurze Zeit – manchmal nur wenige Minuten am Tag – betrieben werden. Um die Wärmeerzeugung besser auszulasten, besteht die Möglichkeit, in der Nacht Wärme in den Speicher zu laden und diese am Tage, insbesondere in der Morgenspitze, wieder zu entnehmen.

Ein weiterer Anwendungsfall ist die energiewirtschaftliche Optimierung und Flexibilisierung („funktionaler Stromspeicher“) von KWK-Anlagen. Bei niedrigem Preis an der Strombörse fahren Heizkraftwerke herunter und die Wärmekunden werden aus dem Wärmespeicher versorgt. Dabei beziehen die Endkunden Elektrizität aus dem Netz. Umgekehrt können Heizkraftwerke bei hohem Preis hochfahren und Elektrizität über den Bedarf der lokalen Stromkunden ins übergelagerte Netz einspeisen, selbst wenn der Wärmebedarf niedrig ist, weil die Nutzwärme im Fernwärmespeicher zwischengepuffert werden kann. Mit der Speicherung auf der thermischen Seite kann der Anlagenbetrieb flexibilisiert werden, was die Systemintegration von erneuerbaren Energien unterstützt. Der Fernwärmespeicher wirkt im Zusammenspiel mit der KWK-Anlage wie ein elektrischer Energiespeicher (EES): bei niedrigem Preis wird elektrische Energie aus dem Netz aufgenommen, bei hohem Preis wird sie ins Netz eingespeist. Fernwärmenetze und -speicher ermöglichen die Nutzung von Abwärme, Solarthermie, Geothermie und Müll für die Wärmeversorgung und sind somit ein wesentlicher Baustein der Wärmewende.

Aufbau und Betrieb von Fernwärmespeichern

Fernwärmespeicher des Kraftwerkes Theiß mit 50.000 m³ Inhalt, welcher das Fernwärmenetz Krems speist. Speichervermögen 2 GWh je Ladevorgang

Fernwärmespeicher lassen sich grundsätzlich nach der Bauweise und nach dem Betrieb einteilen.

Einteilung nach Bauweise

Bei der Einteilung nach Bauweise unterscheidet man in

• drucklose Fernwärmespeicher, also bis maximal 100 °C (Einzonenspeicher) bzw. 115 °C (Zweizonenspeicher) betreibbare, und
• Druckspeicher, die mit über 100 °C und gegebenenfalls bis ca. 150 °C betreibbar sind.

Beim drucklosen Speicher nimmt der Fernwärmespeicher selbst die Volumenänderung auf, die durch die Erwärmung entsteht. Das Wasser im Speicher steht nicht unter Überdruck und kann daher nur bis 98 °C aufgeheizt werden. Dies macht im Winter eine Nachheizung auf die geforderte Vorlauftemperatur im Wärmenetz notwendig. Ein Beispiel für diese Bauart ist der Fernwärmespeicher des Kraftwerkes Theiß (siehe Foto). Ein druckloser Speicher kann gleichzeitig als Druckhalteeinrichtung genutzt werden; Voraussetzung dafür ist, dass der Wasserspiegel des Speichers über dem hydrostatischen Nullpunkt des Fernwärmenetzes liegt. Damit stellt der Wärmespeicher gleichzeitig die Druckhaltung für das Fernwärmenetz dar, so wie dies beim 2011 in Betrieb genommenen Salzburger Fernwärmespeicher realisiert wurde. Kann ein druckloser Speicher nicht hoch genug gebaut werden, um den hydrostatischen Druck des Wärmenetz auszugleichen, muss bei drucklosen Speichern bei Entnahme von Wärme der Rücklauf des Heizwassers über eine Drossel in den Speicher hineingelassen werden und andererseits das heiße Wasser von der Oberseite mittels einer Pumpe auf den Druck des Fernheiznetzes gebracht werden. Eine Sonderbauart stellen die Zweizonenspeicher dar, bei diesen lastet über eine Zwischendecke getrennt kälteres Wasser über der eigentlichen, heißen Zone und sorgt so für genügend statischen Druck, dass das heiße Wasser unter der Zwischendecke bei Temperaturen von 110 bis 115 °C nicht verdampfen kann.

Fernwärmespeicher in Chemnitz

Dieser Energieaufwand zur Druckerhöhung kann bei den Druckspeichern entfallen, zudem ermöglichen sie höhere Speichertemperaturen über dem Siedepunkt von Wasser, was die Notwendigkeit der Nachheizung verringert. Die Volumenänderung aufgrund der Wärmeausdehnung des Wassers wird durch die Druckhaltung aufgenommen bzw. abgeführt. Nachteilig ist bei Druckspeichern, dass nur begrenzte Durchmesser möglich sind, weil ansonsten die Zugkräfte in der Speicherwand zu groß werden. Daher können größere Volumina nur in Modulbauweise dargestellt werden, was relativ kostenträchtig ist (Wandmaterial) im Vergleich zu großen drucklosen Speichern. Ein Bauartbeispiel hierfür ist der Fernwärmespeicher in Chemnitz (siehe Foto).

Einteilung nach Betriebsweise

Puffer (Heiztechnik), also reine Verwendung durch nur einen Verbraucher, ein Gewächshaus

Man kann Fernwärmespeicher auch funktional nach der Betriebsweise und damit der Anzahl von Ladezyklen bzw. der Speicherzeitkonstante T = Energie/Leistung einteilen. Bei dieser Herangehensweise lassen sich folgende Arten unterscheiden:

• Kesselmindestlastspeicher,
• Morgenspitzenspeicher,
• Tagesspeicher,
• Wochenendspeicher und
• Saisonalspeicher.

Kältespeicher

Speicher für Kälte sind grundsätzlich ähnlich aufgebaut wie Fernwärmespeicher. Aufgrund der meist geringen Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf sind diese jedoch bezogen auf ihre Speicherarbeit zumeist besonders groß.

Eisspeicher

(Zur Wärmespeicherung mithilfe von Eisspeichern siehe Eis-Speicher-Wärmepumpe)

Ein besonderer Typ von Kältespeichern sind Eisspeicher, die früher als Eiswasserspeicher in Molkereien und Brauereien in Anwendung waren. Dabei wird das Kältemittel (früher zumeist Ammoniak, heute oftmals das FKW-Kältemittel 134a) direkt innerhalb von in einem Wasserbecken liegenden Stahlrohren verdampft. An der Außenseite bilden sich Eisschichten. Dieses Eis speichert die Kälte, sodass bei stoßartiger Kühlwasserentnahme aus dem Wasserbecken genügend Kälte bereitgestellt werden kann.

Anwendungsbeispiel: In der Milchsammelstelle wurde früher morgens und/oder abends warme Milch angeliefert, die in kurzer Zeit abgekühlt werden musste, was periodisch wiederkehrend kurzfristig hohe Kühlenergien erforderte. Für diese Anwendung ist die Eiswasserspeicheranlage auch heute noch nützlich, da das für die Kühlung notwendige Eis über die Nacht oder zumindest über eine längere Dauer und mit einer leistungsschwächeren Kühlmaschine erzeugt werden kann als bei einer Direktkühlung. Müssen beispielsweise 6.000 Liter Milch von 30 °C auf 4 °C zügig abgekühlt werden, so wird dazu eine Eismasse von ca. 2.000 kg benötigt.

Bei neueren Anlagen wird die Kälte von der Kältemaschine direkt auf ein Wasser-Glykolgemisch bei Minusgraden übertragen, das in Kunststoffleitungen in mehreren Rohrreihen durch das Kühlwasserbecken fließt. An den Rohrschlangen bildet sich Eis, welches über die hohe Schmelzenthalpie wesentlich mehr Kälte speichern kann als Wasser.

Die mit Eisspeichern erreichte Kosteneinsparung basiert darauf, dass die für die Spitzenlastdeckung vorgesehene Kompressionskältemaschine nicht in der Hochtarifzeit läuft und die notwendige Kälte vom Eisspeicher bereitgestellt wird. In den Nachtstunden (Niedertarifzeit) wird er von der Kältemaschine wieder aufgeladen und somit für den Tag neues Eis bereitgestellt. Neben diesem Kostenvorteil durch günstigere Stromtarife gibt es auch einen thermodynamischen Vorteil: In der Nacht ist, bedingt durch die niedrigere Außentemperatur, die Arbeitszahl der Kältemaschine besser, weshalb die für die Eisherstellung notwendige tiefere Temperatur bei geringfügig besserer Arbeitszahl erzeugt werden kann.

Berechnung der Speicherdichte

Die Speicherdichte $\mathbb {Q}$ (kWh/m³) gibt als Kenngröße an, wie viel Energie (kWh) in einen Kubikmeter Speicher gepuffert werden kann. Sie errechnet sich – im Falle ohne Phasenumwandlung – durch:

$\mathbb {Q} ={\frac {\rho \,c_{\mathrm {p} }\,\Delta T}{3600}}$

wobei:

$\Delta T$ die Temperaturdifferenz zwischen einströmenden und ausströmenden Medium des Speichers in Kelvin,

$\rho$ die Dichte in kg m⁻³ und

$c_{\mathrm {p} }$ die isobare Wärmekapazität kJ kg⁻¹ K⁻¹ ist.

Bei einer Phasenumwandlung wird die Speicherdichte zusätzlich erhöht. Die im Phasenwechsel gespeicherte Energie errechnet sich zu:

$\mathbb {Q} ={\frac {\rho {L}}{3600}}$

wobei:

$\rho$ die Dichte in kg m⁻³

$L$ ist die Schmelzenthalpie kJ kg⁻¹

Typische Speicherdichten

• Kältespeicher auf Basis einer Wasserfüllung: 7 kWh/m³ bzw. je Grad Temperaturdifferenz 1,16 kWh/m³K
• Kältespeicher mit Phasenumwandlung von Wasser (fest-flüssig): 60 bis 80 kWh/m³
• Druckloser Fernwärmespeicher auf Basis einer Wasserfüllung: 30 – 40 kWh/m³ (bei Mehrzonen-Systemen auch mehr)
• Fernwärmedruckspeicher: 90 kWh/m³

Liste großer Fernwärmespeicher und Kältespeicher

Realisierte Speicher

Unternehmen	Standort	Volumen in m³	Energie in MWh	Typ	Sonstige Hinweise
Marstal Fernwärme	Marstal (DK)	75.000	4.350	Wärme	Erdbecken-Wärmespeicher für Nahwärmenetz mit 2.200 Einwohnern, Betriebszeitraum seit 2012
Vattenfall Europe Wärme AG	Berlin, Heizkraftwerk Reuter West	56.000	2.600	Wärme	Durchmesser 43 m, Höhe 45 m; Investvolumen ca 20 M€, Inbetriebnahme 2024
EVN AG	Gedersdorf, Kraftwerk Theiß/NÖ	50.000	2.200	Wärme	Höhe 25 m, Durchmesser 50 m, Wärmelieferung für Krems und Gedersdorf durch die EVN Wärme GmbH auch etwa 15 km nach Grunddorf
EVH GmbH	Halle (Saale), HKW Dieselstraße	50.000	2.000	Wärme	Höhe 45 m, Durchmesser 40 m; Inbetriebnahme 19. September 2018
Grosskraftwerk Mannheim AG (GKM)	Mannheim	45.000	1.500	Wärme	Höhe 36 m, Durchmesser 40 m, max. Wassertemperatur 98 °C. Unterstützt Fernwärmenetz Raum Mannheim, Heidelberg, Speyer. Wärmestromdichte <12 W/m²
Stadtwerke Potsdam	HKW Potsdam Süd	41.224	1.200	Wärme	Höhe 48 m, Durchmesser 45 m, Inbetriebnahme Januar 2016; ca. 11,6 Mio Projektkosten
Linz AG	Linz, Fernheizkraftwerk Linz-Mitte	34.500	1.350	Wärme	Höhe 65 m, Durchmesser 27 m; Speichertemperatur zwischen 55 und maximal 97 °C
N-ERGIE AG	Nürnberg, Heizkraftwerk Sandreuth	33.000	1.500	Wärme	Höhe 70 m, Durchmesser 26 m; druckloser Zwei-Zonen-Speicher mit Temperaturen bis 113 °C, Investvolumen 12 M€, Inbetriebnahme Jan 2015
Dong Energy	Dänemark, Kraftwerk Studstrup	30.000	1.200 ∗	Wärme
Stadtwerke Flensburg	Flensburg	29.300	1.100	Wärme	Inbetriebnahme Januar 2013 mit 30 MW E-Kessel
Salzburg AG	Salzburg	29.000	1.100	Wärme	Höhe 44 Meter, Durchmesser 29 m, im Dezember 2011 in Betrieb genommen
Fernwärme Verbund Saar GmbH	Dillingen/Saar, ZKS-Gelände	22.800	912 ∗	Wärme	Höhe 60 m, Durchmesser 22 m, Foto
Kraftwerk Timelkam	Timelkam, Österreich	20.000	800 ∗	Wärme	max. Wassertemperatur 98 °C, Inbetriebnahme Ende 2009
E.ON Thüringer Energie AG	Jena	13.000	520 ∗	Wärme	Höhe 43 Meter, Durchmesser 21 Meter; Bauzeit 2010–2011.
Hrvatska Elektroprivreda	Osijek, Kroatien	11.400		Wärme	Höhe 50 Meter, Durchmesser 17,8 Meter, Betriebsdruck 16 bar.
Wien Energie	Wien	11.000	850	Wärme	Zwei Speicher, je: Höhe 45 Meter, Durchmesser 14 Meter; Druckspeicher 6 bar (Kopfdruck); Inbetriebnahme Ende 2013
Onyx Kraftwerk Zolling GmbH & Co. KGaA	Zolling	10.000	400	Wärme	Höhe 23 m, Durchmesser 24 m, druckloser Speicher mit einer maximalen Wassertemperatur von 95 °C, in Betrieb seit 1988
Fernheizwerk Neukölln AG	Berlin, Heizwerk Weigandufer	10.000	300	Wärme	Höhe 22 Meter, Durchmesser 26 Meter; umgebauter Heizöltank, 2,8 M€, Inbetriebnahme März 2015, 4*2,5 MW E-Heizer
Stadtwerke Augsburg Energie GmbH	Augsburg, Heizkraftwerk Augsburg Ost	8.000	320 ∗	Wärme
Stadtwerke Chemnitz	Chemnitz, Georgstraße	8.000		Wärme	36 Stück Druckspeicher (50° 50′ 32,49″ N, 12° 55′ 14,44″ O50.84235912.920678)
Stadtwerke Münster	Münster	8.000		Wärme	Vier Speicher à 2000 m³, zum GuD-Kraftwerk Münster Hafen; installiert im alten Kohlebunker am Hafen
Energieversorgung Offenbach	Offenbach, Goethering	8.000	250	Wärme	Investition von 2,36 M€ für Speicher und Regleranlagen
EVH GmbH	Halle (Saale), HKW Dieselstraße	6.800	280	Wärme	Höhe 22 m, Durchmesser 22 m; Inbetriebnahme 2006
Østkraft	Rønne	6.700	268 ∗	Wärme	Holz als Energieträger: Tabelle 19 mit Beschreibung der Anlage
Boehringer Ingelheim	Biberach	6.500	45 ∗	Kälte	Höhe 27 m
Stadtwerke München	München	5.700	330	Wärme	Betriebszeitraum seit 2007
Vestkraft a.m.b.a.	Måbjerg bei Holstebro	5.000	200 ∗	Wärme	Holz als Energieträger: Schaubild 25, Verfahrensfliessbild der Anlage
Assens Fjernvarme	Assens	5.000	200 ∗	Wärme	Zwei Speicher à 2.500 m³; Umbau von alten Öltanks
E.ON Hanse Wärme GmbH	Hamburg	4.150	240	Wärme	„Hamburg II“, Betriebszeitraum seit 2010
Elektrizitätswerk Wels AG	Wels	4.000	160 ∗	Wärme
Stadtwerke Chemnitz	Chemnitz, Georgstraße	3.500	32	Kälte	Höhe 19 m, Durchmesser 17 m; Kurzzeit-Großkältespeicher
Stadtwerke Ingolstadt	Ingolstadt, Ringlerstraße	3.200	170	Wärme	2 Speicher je Höhe 25 m, Durchmesser 12 m, Druckspeicher, Inbetriebnahme Ende 2018
Stadtwerke Leipzig	Leipzig, Arno-Nitzsche-Straße	3.000	225	Wärme	9 Speicher je Höhe 29 m, Durchmesser 4 m, Druckspeicher; 3,5 Mio Euro.
Gemeindewerke Großkrotzenburg	Großkrotzenburg	2.800	100	Wärme	Höhe 25 m, Durchmesser 12 m, Flachbodentank, System Hedbäck (schwimmende Düse), kann zur Druckhaltung genutzt werden.
Pimlico District Heating Undertaking	London	2.500	100 ∗	Wärme	Höhe 41 Meter, Inbetriebnahme 1950, ursprünglich versorgt durch Battersea Power Station
Fernwärme Ulm GmbH	Ulm, MHKW Donautal	2.500	140	Wärme	Höhe 29 Meter, Durchmesser 11,5 Meter; Betriebsdruck 5,7 bar; Inbetriebnahme 2014, Projektkosten ca. 2,8 Mio Euro
Solarcomplex	Emmingen-Liptingen, Bioenergiedorf Emmingen	1.000	46	Wärme	Höhe 6,4 m, Durchmesser 16 m; Temperaturbereich 55 °C bis 95 °C; 1000 W maximale Leistung; oberirdischer Tankspeicher
medl GmbH	Mülheim an der Ruhr, Duisburger Straße 50	900	57,6	Wärme	4 Speicher à 225.000 l, 2 Speicher IB 1998, Erweiterung um zwei Speicher im Jahr 2015 Betrieb mit Wasser, 115/60 °C, 8 bar
Stadtwerke Rosenheim	Rosenheim, Färberstraße	500	20	Wärme	Höhe 20 Meter, Durchmesser 4 Meter, 2 Stück, Foto
Bioenergie Steyr	Behamberg, Ramingdorf 5	250	17,5 ∗	Wärme	Höhe 20 Meter, Durchmesser 4,2 Meter, Betriebsdruck 16 bar, Speichertemperatur 160 °C; Inbetriebnahme Oktober 2012
Stadtwerke Zehdenick	Zehdenick, Friedhofstraße	150	10,5 ∗	Wärme	3 Speicher je Höhe 11 Meter, Durchmesser 2,5 Meter, Betriebsdruck 16 bar, Speichertemperatur 85 °C; Inbetriebnahme Januar 2004

 

Berechnet mit den Angaben zum Volumen und den Werten der typischen Speicherdichten.

Speicher in Planung und Bau

Rohbau des Kieler Fernwärmespeichers, Juni 2016

Unternehmen	Standort	Volumen in m³	Energie in MWh	Typ	Sonstige Hinweise
Stadtwerke Kiel	Kiel	42.000		Wärme	Höhe 60 m, Inbetriebnahme Ende 2025 geplant
Fernwärme Ulm GmbH	Ulm, HKW Magirusstraße	36.000	1500	Wärme	Höhe 80 Meter, Durchmesser 25 Meter; Zweizonenspeicher 110 °C; Inbetriebnahme 2025
Stadtwerke Düsseldorf	Düsseldorf, Auf der Lausward	35.000	1.480	Wärme	Höhe 57 m, Durchmesser 30 m; Inbetriebnahme Ende 2016 geplant
Agro Energie Schwyz AG	Ibach, bei Schwyz	28.000	1.300	Wärme	Höhe 50 m, Durchmesser 30 m, Drucklos, Vorlauf 95 °C, Rücklauf 50 °C, Inbetriebnahme 2020
Stadtwerke Neubrandenburg	Neubrandenburg	23.000	700	Wärme	Höhe 36 m, Durchmesser 30 m, Inbetriebnahme 2020
Vattenfall	Hamburg, Heizkraftwerk Tiefstack	20.000	900	Wärme	geplante Inbetriebnahme 2014
Stadtwerke Heidelberg	Heidelberg	20.000		Wärme	Höhe 55 m, Bruttovolumen 20.000, Netto 12.800, Zweizonen bis 115 °C, bis Ende 2019
Energie SaarLorLux	Saarbrücken, Heizkraftwerk Römerbrücke	10.000	190	Wärme	Höhe 44 m, Durchmesser 17 m, Vorlauf 98 °C, Bau im Rahmen des Projekts GAMOR

Siehe auch

• Wärmespeicher
• Puffer (Heiztechnik)
• Richardson-Zahl

Weblinks

• Machbarkeitsstudie (PDF; 16,3 MB) zur Stärkung der Kraft-Wärme-Kopplung durch den Einsatz von Kältespeichern in großen Versorgungssystemen, Chemnitz
• Saisonalspeicher.de Das Wissensportal für die saisonale Wärmespeicherung