Die deutsche Industrie steht vor einer doppelten Herausforderung. Einerseits wächst der Druck, fossile Energieträger durch erneuerbare Energien zu ersetzen und die CO₂-Emissionen deutlich zu senken. Andererseits benötigen viele Produktionsprozesse rund um die Uhr große Mengen an Wärme und Dampf. Allein die Prozesswärme verursacht in vielen Industriebetrieben den größten Teil des Energieverbrauchs. Während Photovoltaikanlagen heute Strom für wenige Cent pro Kilowattstunde erzeugen können, fällt die Stromerzeugung naturgemäß vor allem tagsüber an. Der Wärmebedarf vieler Fabriken besteht jedoch auch nachts, an Wochenenden oder in den Wintermonaten.
Genau an diesem Punkt entsteht eine der größten Herausforderungen der industriellen Energiewende: Wie lässt sich überschüssiger erneuerbarer Strom wirtschaftlich speichern und zeitversetzt als Prozesswärme nutzen?
Eine vielversprechende Antwort liefern modulare Feststoff-Wärmespeicher im Containerformat. Die Systeme funktionieren wie riesige thermische Batterien. Sie speichern Energie nicht in chemischen Zellen, sondern in massiven Feststoffen wie Spezialbeton, Keramik oder Naturgestein. Dadurch können große Energiemengen vergleichsweise kostengünstig gespeichert und später als Heißwasser, Heißluft oder Prozessdampf bereitgestellt werden.
Die Technologie hinter der thermischen Batterie
Von außen ähnelt ein Feststoff-Wärmespeicher einem gewöhnlichen ISO-Container. Im Inneren befindet sich jedoch eine mehrere Tonnen schwere Speichermasse aus Hochleistungsbeton, Keramik oder Basaltgestein. Bekannt geworden ist beispielsweise das von ENERGYNEST gemeinsam mit Heidelberg Materials entwickelte Speichermedium „Heatcrete“. Die Speichermasse wird über integrierte elektrische Heizelemente oder über industrielle Abwärme aufgeladen. Typische industrielle Systeme arbeiten im Temperaturbereich zwischen etwa 200 und 400 °C. Je nach Technologie und Anwendungsfall sind auch deutlich höhere Temperaturen möglich – zum Beispiel mit Keramik- und Steinspeichern, die bis zu 1000 °C erreichen können.
Während des Ladevorgangs wird überschüssiger Strom in Wärme umgewandelt und im Feststoff gespeichert. Dank einer leistungsfähigen Wärmedämmung bleiben die Energieverluste gering. Sobald Wärme benötigt wird, wird ein Wärmeträgermedium durch Rohrleitungen im Speicher geführt. Dabei nimmt es die gespeicherte Wärme auf und transportiert sie als Heißwasser, Thermoöl oder Dampf direkt in den Produktionsprozess.
Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien finden dabei keine chemischen Reaktionen statt. Der Speicher altert deshalb deutlich langsamer und enthält keine kritischen Batterierohstoffe.
Warum die Industrie solche Speicher benötigt
In vielen Branchen werden Produktionsprozesse noch immer mit Erdgas betrieben. Dies betrifft unter anderem die Lebensmittelindustrie, die Papier- und Zellstoffindustrie, die Chemiebranche, die Metallverarbeitung sowie zahlreiche Trocknungs- und Beschichtungsprozesse.
Die Herausforderung besteht darin, dass erneuerbarer Strom nicht immer dann zur Verfügung steht, wenn Wärme benötigt wird. Ein Feststoff-Wärmespeicher entkoppelt Erzeugung und Verbrauch voneinander. Überschüssiger Solarstrom vom Hallendach kann beispielsweise mittags gespeichert und in der Nachtschicht zur Dampferzeugung genutzt werden.
Dadurch ergeben sich mehrere Vorteile gleichzeitig:
- Reduzierung des Erdgasverbrauchs
- Verringerung der CO₂-Emissionen
- Schutz vor steigenden CO₂-Kosten
- Höherer Eigenverbrauch von Photovoltaikstrom
- Entlastung von Stromnetzen durch Lastverschiebung
- Höhere Versorgungssicherheit bei Energiepreisschwankungen
Gerade in energieintensiven Industriebetrieben kann dies einen erheblichen wirtschaftlichen Vorteil darstellen.
Projektierung und Installation
Ein wesentlicher Vorteil moderner Containerlösungen besteht in ihrem hohen Grad an Standardisierung. Die Anlagen werden bereits weitgehend vormontiert geliefert und können vor Ort mit vergleichsweise geringem Aufwand in die bestehende Infrastruktur integriert werden. Grundlage jedes Projekts ist jedoch eine detaillierte Analyse des individuellen Lastprofils. Dabei wird untersucht, zu welchen Zeiten überschüssiger Strom oder industrielle Abwärme verfügbar sind, wann und in welchem Umfang Prozesswärme benötigt wird, welche Temperaturniveaus für die jeweiligen Anwendungen erforderlich sind und welche Speicherkapazität unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten den größten Nutzen bietet. Auf Basis dieser Analyse lässt sich das Speichersystem optimal auf die Anforderungen des jeweiligen Betriebs auslegen.
Anschließend erfolgt die technische Auslegung der Anlage sowie die hydraulische und elektrische Einbindung in die vorhandene Infrastruktur.
Da die Systeme meist im Außenbereich installiert werden, ist keine zusätzliche Hallenfläche erforderlich. Die baurechtlichen Anforderungen sind jedoch abhängig von Standort, Größe, Fundamentierung und Landesbauordnung. Eine frühzeitige Abstimmung mit Behörden, Netzbetreibern und Brandschutzsachverständigen ist daher empfehlenswert.
Für die Aufstellung genügt häufig ein Betonfundament. Der Speichercontainer wird per Lkw angeliefert und mit einem Kran positioniert. Die eigentliche Installation umfasst die Anbindung an das Wärme- beziehungsweise Dampfsystem sowie den elektrischen Anschluss. Je nach Projektumfang kann die Inbetriebnahme innerhalb weniger Tage bis einiger Wochen erfolgen.
Kosten und Wirtschaftlichkeit
Die größte Stärke von Feststoff-Wärmespeichern liegt in ihren vergleichsweise niedrigen Betriebskosten. Da keine chemische Alterung stattfindet und nur wenige bewegliche Komponenten vorhanden sind, fällt der Wartungsaufwand gering aus.
Hersteller wie ENERGYNEST geben für ihre Systeme technische Lebensdauern von mehr als 25 Jahren an. Dadurch verteilen sich die Investitionskosten über einen langen Nutzungszeitraum.
Die Investitionskosten variieren je nach Leistung, Temperaturbereich und Speicherkapazität erheblich. Öffentliche Preisangaben sind bislang nur begrenzt verfügbar. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) nennt für zukünftige thermische Speichertechnologien Speicherkosten von weniger als 15 Euro pro Kilowattstunde als Entwicklungsziel. Zum Vergleich: Elektrochemische Batteriespeicher liegen bei vergleichbaren Energiemengen um ein Vielfaches höher. Genau deshalb gelten Feststoff-Wärmespeicher insbesondere für industrielle Prozesswärme als wirtschaftlich besonders interessant.
Staatliche Förderung verbessert die Wirtschaftlichkeit
Zusätzlichen Rückenwind erhält die Technologie durch staatliche Förderprogramme. Über die Bundesförderung für Energie- und Ressourceneffizienz in der Wirtschaft (EEW) können Unternehmen erhebliche Zuschüsse für Investitionen in die Dekarbonisierung ihrer Prozesse erhalten. Je nach Unternehmensgröße sind derzeit Zuschüsse möglich von bis zu 60 Prozent. Für bestimmte Maßnahmen zur Elektrifizierung von Prozesswärme oder zur Nutzung industrieller Abwärme kann zusätzlich ein Dekarbonisierungsbonus von bis zu zehn Prozentpunkten gewährt werden. Förderfähig sind häufig nicht nur der Speicher selbst, sondern auch Planung, Fundament, Rohrleitungen, Steuerungstechnik und elektrische Infrastruktur.
Für welche Betriebe eignet sich die Technologie?
Besonders interessant sind Feststoff-Wärmespeicher für Unternehmen, die einen kontinuierlichen Bedarf an Prozesswärme haben und gleichzeitig über eigene Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien verfügen. Ihr Einsatz bietet sich vor allem in energieintensiven Branchen an, in denen Wärme ein zentraler Bestandteil der Produktion ist. Dazu zählen beispielsweise die Lebensmittel- und Getränkeindustrie, die Papier- und Kartonherstellung sowie die chemische Industrie. Auch Unternehmen der Metall- und Kunststoffverarbeitung können von der Speicherung überschüssiger Energie profitieren. Darüber hinaus eignen sich die Systeme für unterschiedlichste Trocknungsprozesse und finden zunehmend Anwendung in Fernwärmenetzen, in denen erneuerbar erzeugte Energie zeitlich flexibel bereitgestellt werden soll.
Besonders wirtschaftlich werden die Systeme bei einem regelmäßigen Mehrschichtbetrieb und Temperaturen zwischen etwa 100 und 400 °C.
Fazit
Feststoff-Wärmespeicher im Containerformat gehören zu den wenigen Technologien, die bereits heute eine wirtschaftliche Verbindung zwischen erneuerbarer Stromerzeugung und industrieller Prozesswärme schaffen können. Die Systeme nutzen einfache physikalische Prinzipien, verzichten auf kritische Rohstoffe und bieten eine technische Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten.
Mit der zunehmenden Elektrifizierung industrieller Prozesse, dem weiteren Ausbau von Photovoltaik und Windkraft sowie steigenden Anforderungen an die CO₂-Reduktion dürfte die Bedeutung thermischer Speicher in den kommenden Jahren deutlich wachsen. Für viele Industriebetriebe könnten sie sich zu einem zentralen Baustein der Energiewende entwickeln – unscheinbar verpackt in einem Container auf dem Werkshof.