Power-to-Heat: Technik und Anwendungsbeispiele

Unter Power-to-Heat versteht man die Erzeugung von Wärme unter dem Einsatz von elektrischer Energie. Dies kann sowohl über Elektrokessel als auch über Wärmepumpen erfolgen. Power-to-Heat kann nicht nur Strom aus Erneuerbaren Energien, der sonst abgeregelt werden würde, für den Wärmesektor nutzen, sondern auch dem Strommarkt zusätzliche Flexibilität bieten – durch die Bereitstellung von Regelenergie und den Einsatz in Zeiten negativer Strompreise.

Unter dem Begriff "Power-to-Heat" (kurz: PtH) versteht man im Allgemeinen die Umwandlung von Strom in Wärme in einem Versorgungssystem, welches Wärme entweder aus Strom oder aus fossilen Brennstoffen wie Erdgas erzeugen kann.

In kleineren privaten Anwendungen wird Wärme in der Regel mit einer Elektroheizung wie z. B. einer Nachtspeicherheizung oder mit einer Wärmepumpenheizung erzeugt. In großtechnischen Anwendungen wie z. B. in Fernwärmenetzen werden zur Wärmegewinnung hingegen zentrale Elektro- oder Elektrodenheizkessel eingesetzt.

In kleinem als auch großen Maßstab sorgen Wärmespeicher dann dafür, dass überschüssiger Strom aus Erneuerbaren Energien (EE) in Wärme umgewandelt und für einen späteren Verbrauch je nach Speichergröße über einige Stunden bis zu einigen Tagen vorgehalten werden kann.

Scheint also besonders viel Sonne und ist der Stromspeicher der eigenen Photovoltaik-Anlage voll beladen, so kann die Wärmepumpe mit Photovoltaikstrom betrieben werden, um Heißwasser zu erzeugen oder auch Räume zu kühlen. Ebenso ist es bei einem Überschuss an Ökostrom im Netz möglich, die Wärmepumpe oder eben Wärme für ein Fernwärmesystem eines Stadtwerkes zu erzeugen.

Für kleinere, meistens private Betreiber von konventionellen Öl- oder Gasheizungssystemen lässt sich mit einer Power-to-Heat-Nutzung der Eigenverbrauch des selbst erzeugten Stroms aus der eigenen Photovoltaik-Anlage - theoretisch aber auch Mini-BHKW oder Brennstoffzellen-Heizungen - durch die Anbindung eines Heizstabes im Warmwasser- oder Pufferspeicher einfach steigern. Wenn ein Überschuss an selbst produziertem Strom besteht, wird das Brauch- oder Heizungswasser zusätzlich direktelektrisch erwärmt.

Dies kann insbesondere in den Sommermonaten wirtschaftlich lukrativ sein, in denen die Erwärmung des Brauchwassers über den Öl- oder Gaskessel erfolgt. Denn während dieser arbeiten diese Heizsysteme mit einem vergleichsweise schlechten Wirkungsgrad. Interessant ist kann ein Photovoltaik-Heizstab auch für neue Photovoltaik-Anlagen sein, die nur noch eine relativ geringe Einspeisevergütung erhalten.

Wärmepumpensysteme bieten ein großes Power-to-Heat Potenzial für das umweltfreundliche Lastmanagement in intelligenten Stromnetzen. Strom aus Wind und Photovoltaik kann so bei einem Überangebot als Wärmeenergie gespeichert werden. Wärmepumpenanlagen besitzen eine hohe Flexibilität im Angebot schaltbarer Lasten durch ihre verschiedenen Betriebsweisen. Sie können beispielsweise über ein Preissignal gesteuert werden.

Die einzelnen Wärmepumpen können auch mit weiteren Wärmepumpen oder anderen steuerbaren Geräten wie Elektroautos oder Kühlschränken zu größeren virtuellen Einheiten zusammengeschlossen werden, die mehr Speicherkapazität und -dauer bieten. Ähnliche Power-to-Heat-Anwendungen sind mit Nachtspeicherheizungen durchaus praktikabel, werden aufgrund des im Vergleich zur Wärmepumpe deutlich geringeren Wirkungsgrades nicht als langfristig sinnvolle Power-to-Heat-Option angesehen.

Aktuell gibt es noch keine flächendeckende variablen Heizstromtarife, die ein entsprechendes Preissignal an die Wärmepumpen senden können, sodass der Power to Heat-Einsatz von Wärmepumpen bislang nur im Feldtest erprobt wurde.

Power-to-Heat kann in größerem Maßstab wie z.B. in einem Fernwärmenetz zum einen eingesetzt werden, um mit der Stromabnahme negative Regelleistung vorzuhalten. Zudem kann durch Power-to-Heat die Must-run-Kapazität konventioneller Kraftwerke im Strommarkt reduziert werden. Zusätzliche Power-to-Heat-Leistung im Regelleistungsmarkt kann je nach Marktsituation ein Mehrfaches an konventioneller Leistung aus dem Strommarkt verdrängen.

Viele Power-to-Heat-Projekte in Deutschland refinanzieren sich derzeit vollständig durch die Teilnahme am Regelleistungsmarkt. Ob das Anwendungs- und Erlöspotenzial von Power-to-Heat im Regelleistungsmarkt auch in der Zukunft im gleichen Ausmaß bestehen wird, ist allerdings fraglich. Denn wie das Beispiel Dänemark zeigt, induziert der zunehmende Wettbewerb im Regelleistungsmarkt eine Marktsättigung und damit sinkende Preise.

Zum anderen kann Power-to-Heat in größeren Wärmeanwendungen eingesetzt werden, um eine Abregelung von Erneuerbaren Energie-Anlagen im Fall von negativen Preisen an der Strombörse zu vermeiden. Dabei wird Strom für die Power-to-Heat-Anlage an der Strombörse in Situationen von stark negativen Preisen gekauft, in denen sonst Erneuerbare Energien, die in der Direktvermarktung sind, abgeregelt würden.

Solch eine Kopplung der Sektoren Strom und Wärme über Marktsignale ist sinnvoll, da es in Zukunft im Strommarkt zunehmend zu Situationen mit einem Angebotsüberschuss kommen wird. Die Benutzung von Power-to-Heat kann dann im Vergleich zu einer Abregelung von Erneuerbaren Energien ökologisch effizient zu einem höheren Erneuerbare Energien-Anteil im Wärmesektor führen. Die Reduktion negativer Preise hat zudem einen kostendämpfenden Effekt auf die EEG-Umlage. Derzeit ist ein strompreisinduzierter Betrieb von Power-to-Heat aufgrund der geringen Anzahl von Stunden mit negativen Strompreisen jedoch (noch) nicht wirtschaftlich.

Eine weitere Option, Power-to-Heat wirtschaftlich anzuwenden, ist ihr Einsatz bei lokalen und regionalen Netzengpässen, die von den Netzbetreibern mit entsprechendem Einspeisemanagement behoben werden. Dabei werden z. B. Windenergieanlagen abgeregelt, die entgangene Vergütung an die Betreiber aber ausgezahlt. Der Einsatz von Power-to-Heat kann hier ökologisch sinnvoll eine Nutzbarmachung dieses Stroms ermöglichen und wirtschaftlich zu einer Entlastung der Netzentgelte führen.

Heutzutage (Stand 2018) ist es jedoch aus rechtlichen Gründen nicht möglich, diesen Strom direkt zu kaufen. Um das Potenzial zu heben, sind deshalb Anpassungen der Rahmenbedingungen notwendig, die es ermöglichen, Einspeisemanagement-Strom an Power-to-Heat-Anlagen zu versteigern.

Der Power-to-heat Fernwärmespeicher "Energie- und Zukunftsspeicher" wurde Mitte September 2018 in Halle (Saale) von der Stadtwerke Halle in Betrieb genommen. Der neue Power-to-heat Fernwärmespeicher mit 40 Metern Durchmesser und 45 Metern Höhe bietet ein nutzbares Speichervolumen von 50.000 Kubikmetern. Das entspricht der Füllmenge von etwa 250.000 Badewannen.

Rechnerisch reicht die Speichermenge aus, den Fernwärmebedarf der Hallenser bis zu drei Tage lang zu decken. Dank seiner technischen Auslegung kann er zudem auch überschüssige Energie aus dem Energiepark Trotha aufnehmen. Das macht die Energieerzeugung in Halle insgesamt effizienter.

Darüber hinaus ermöglicht die neue „Riesen-Thermoskanne“, regenerative Energien optimal auszunutzen. Ein weiterer Vorteil: Der Speicher unterstützt die Netzstabilität und damit eine sichere Versorgung unter sich ändernden Anforderungen der Energiewende. Der Speicher führt durch eine stromgeführte Fahrweise zudem zu Kosteneinsparungen: Denn die Anlagen arbeiten dann, wenn der Strompreis günstig ist, die gleichzeitig entstehende Wärme wird gespeichert und dann als Fernwärme verwendet, wenn die Hallenser die Wärme abrufen.

Ende November 2018 hat Vattenfall den Betrieb eines der größten Power-to-Heat-Anlagen Deutschlands aufgenommen. Der Elektroheizkessel „Karoline“ im Hamburger Karolinenviertel verfügt über eine Leistung von etwa 45 Megawatt und kann damit bis zu 13.500 Wohnungen mit Wärme versorgen.

Besteht ein Überangebot von Windstrom - insbesondere Windkraft aus Schleswig-Holstein - kann jetzt Karoline diese Strom kurzfristig aufnehmen und in Wärme zum Heizen umwandeln. Der Kessel kann heißes Wasser von 90 bis 133 Grad Celsius erzeugen und besitzt eine Umwälzmenge von bis zu 900.000 Litern pro Stunde.

Der 20 Kubikmeter fassende und 7 Meter hohe Elektrodenheizkessel „Karoline“ von Vattenfall erfüllt eine wichtige Funktion bei der norddeutschen Sektorenkopplung. Denn bei einem Überangebot von Strom aus Windkraft aus Schleswig-Holstein kann Karoline helfen, dass weniger Windkraftanlagen abgeregelt werden müssen und sich der Redispatch-Bedarf bzw. die Redispatch-Kosten reduzieren.

Die DREWAG betreibt seit 2019 einen Elektrodenheizkessel am Heizkraftwerk Nossener Brücke. Er wandelt Strom, im Wesentlichen aus erneuerbaren Energien, in speicherbare Wärme um, die in das Dresdener Fernwärmenetz eingespeist wird. Über große Elektroden fließt der grüne Strom durchs Wasser und erhitzt es auf 130 Grad Celsius.

Die Power-to-Heat-Anlage mit einer Maximalleistung von 40 Megawatt ist dafür ausgelegt, innerhalb von Sekunden auf ein schwankendes Stromangebot zu reagieren und hilft damit, das Gleichgewicht von Angebot und Nachfrage im Stromnetz stabil zu halten. Als Nebeneffekt sinken der Erdgasverbrauch und der CO₂-Ausstoß des Heizkraftwerks Nossener Brücke und der anderen DREWAG-Anlagen, denn es muss weniger Fernwärme auf konventionelle Art erzeugt werden.