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Power to Heat

Akronym: PtH, P2H

Definition: die Verwertung von Stromüberschüssen zur Erzeugung von Wärme

Englisch: power to heat

Kategorien: elektrische Energie, erneuerbare Energie, Grundbegriffe

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 01.12.2013; letzte Änderung: 03.11.2018

Power to Heat (oder Power-to-Heat) bedeutet zunächst einmal nur die Erzeugung von Wärme aus elektrischer Energie. Allerdings wird er üblicherweise nicht für jede Erzeugung von Elektrowärme benutzt, sondern nur im Zusammenhang mit der Nutzung von zeitweise anfallenden Überschüssen an elektrischer Energie – wobei noch genauer zu betrachten ist, welche Art von Überschüssen hier genutzt werden kann (siehe unten).

Überschüsse elektrischer Energie dürften z. B. in Deutschland im Rahmen der Energiewende zukünftig vermehrt entstehen, wenn die Stromerzeugung mit erneuerbaren Energien, insbesondere mit Windenergie und Photovoltaik, weiter ausgebaut wird und die Stromnetze (v. a. die Übertragungsnetze) nicht gleichzeitig auch massiv ausgebaut werden in Richtung zu einem europäischen Supergrid. Sie mittels Power to Heat zu nutzen, anstatt sie z. B. in elektrische Energiespeicher einzulagern, würde mit Hilfe ziemlich einfacher, zuverlässiger und kostengünstiger Technik fossile Energieträger ersetzen.

Technische Realisierung

Der Ansatz Power to Heat bedeutet also, dass z. B. momentan überschüssige Windenergie in Wärme umgewandelt wird, die z. B. für Heizungsanlagen und Warmwasserbereitung genutzt werden kann und dort den Einsatz fossiler Energieträger wie Erdgas und Heizöl zurückdrängt (substituiert).

Es muss betont werden, dass die bisher üblichen Elektroheizungen (auch in Form von Elektrospeicherheizungen) für Power to Heat kaum geeignet sind, da diese in aller Regel monovalente Systeme sind: Sie müssen Wärme nach dem jeweiligen Wärmebedarf erzeugen, können sich also nur sehr begrenzt (kurzfristig, über einige Stunden) nach dem Stromangebot richten. Zusätzlich gebaute Elektrospeicherheizungen würden im Wesentlichen nur den gesamten Stromverbrauch erhöhen, also auch höhere Stromerzeugungskapazitäten erfordern. Wenn ein wesentlicher Teil der dafür zusätzlich benötigten elektrischen Energie aus Windenergie stammen sollte, müssten so viel mehr Windenergieanlagen gebaut werden, dass die schwer nutzbaren Überschüsse sogar noch zunehmen würden. Es ist allerdings sinnvoll, bereits vorhandene Elektrospeicherheizungen mit der ebenfalls bereits vorhandenen Rundsteuertechnik gezielt zur Nutzung von Überschüssen einzusetzen; damit ist immerhin das Vorziehen eines nennenswerten Strombezugs um etliche Stunden möglich. Überschüsse, die z. B. an mehreren aufeinander folgenden windreichen Tagen entstehen, sind so freilich kaum zu nutzen.

Es ist also klar, dass die Realisierung Power to Heat Anlagen benötigt, die Elektrowärme nur aus Stromüberschüssen erzeugen und zu anderen Zeiten den Wärmebedarf aus anderen Quellen decken. Hierfür kommen verschiedene Einsatzfelder und Methoden in Betracht:

  • Besonders bieten sich Fernwärmenetze an, die im Normalfall die Wärme z. B. mit Erdgas oder Holz erzeugen. Werden solche Fernwärmenetze z. B. durch Elektrodenkessel (mit Heizleistungen u. U. von Duzenden von Megawatt) ergänzt, die zentral gesteuert im Falle von Stromüberschüssen eingeschaltet werden (als sogenannte zuschaltbare Lasten), kann in solchen Zeiten der Verbrauch an Erdgas oder Holz entsprechend reduziert werden. (So ist auch der Begriff Power to Saved Gas entstanden: Es geht um die Einsparung von Erdgas mit Hilfe von Stromüberschüssen.) Da in Deutschland die vorhandenen Fernwärmenetze einen Mindestumsatz von mehreren Gigawatt aufweisen, könnten also problemlos jederzeit einige Gigawatt an überschüssiger Leistung aufgenommen werden – zu den meisten Zeiten sogar deutlich mehr, oft sogar weit mehr als 10 GW.
  • Auch kleinere Wärmeerzeuger, beispielsweise für die Beheizung von Gebäuden und Schwimmbädern, ließen sich für Power to Heat nachrüsten mit relativ billigen Elektroheizstäben, die wiederum zentral gesteuert werden müssen. Je kleiner allerdings die Anlagen sind, desto mehr fällt der Kostenaufwand für die zentrale Steuerung und die Abrechnung ins Gewicht.
  • Das Potenzial für Power to Heat z. B. bei Fernwärmenetzen lässt sich relativ leicht noch weiter erhöhen, indem man Wärmespeicher z. B. in Form von großen Warmwasserspeichern aufbaut. Man kann damit zeitweise auch wesentlich höhere überschüssige Leistungen aufnehmen und die Wärme zu späteren Zeiten an die Verbraucher abgeben. Gerade bei großen Wärmespeichern mit Kapazitäten von vielen Megawattstunden sind die spezifischen Kosten und Energieverluste sehr gering, allein schon wegen des günstigen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen. Diese Form von Energiespeicherung ist weitaus kostengünstiger als der Einsatz von Speichern für elektrische Energie.
  • Auch Hochtemperaturspeicher z. B. auf der Basis von geschmolzenem Salz wären denkbar. Hiermit wären kompaktere Speicher und eventuell sogar eine teilweise Rückverstromung möglich, also eine insgesamt bessere Energieeffizienz.

Theoretisch kämen auch Wärmepumpen für Power to Heat in Frage, in der Praxis jedoch kaum: Die Nutzung für Überschüsse impliziert eine geringe Zahl von Volllaststunden pro Jahr, so dass eine Amortisation über die höhere Wärmeausbeute oder geringeren Strombedarf kaum möglich ist.

Für Überschüsse von Windenergie eignet sich Power to Heat im Prinzip besser als für solche aus der Photovoltaik, da letztere meist in Zeiten mit geringem Wärmebedarf auftreten. Trotzdem ist auch hierfür ein wesentliches Potenzial vorhanden.

Finanzielle Aspekte

Betriebswirtschaftlich wird Power to Heat natürlich erst dann interessant, wenn der pro Kilowattstunde gezahlte Preis höchstens so hoch ist wie bei fossilen Energieträgern. Hier gibt es nun aber bei den Rahmenbedingungen, die beispielsweise für Kleinverbraucher in Deutschland derzeit gelten, ein Problem: Der Preis für die Lieferung einer Kilowattstunde liegt viel höher als z. B. bei Erdgas, und diese Kosten entstehen nur zum geringsten Teil durch die Stromerzeugung. Selbst wenn also die elektrische Energie an sich kostenlos verfügbar wäre, würde die Lieferung wegen Netznutzungsentgelten, EEG-Umlage, Stromsteuer usw. wesentlich zu viel kosten. Nach der derzeitigen Rechtslage in Deutschland sind hier kaum Entlastungen möglich. Beispielsweise kommt zwar eine Reduktion der Netznutzungsentgelte bis auf minimal 20 % des sonst geltenden Satzes als Gegenleistung für die Stabilisierung der Netze infrage, jedoch gibt es eine Befreiung von der wichtigeren EEG-Umlage nur für bestimmte Großverbraucher.

Anders ist die Situation im Bereich der Regelenergie. Betreiber von Anlagen für Power to Heat können damit negative Regelenergie zur Verfügung stellen und sind dabei finanziell viel besser gestellt als Kleinverbraucher. Dies gilt insbesondere dann, wenn Sie selbst auch ein Kraftwerk (ggf. auch ein virtuelles Kraftwerk) betreiben. Dann kann bei Bedarf dessen Produktion mittels Power to Heat “vernichtet” werden, was die Bereitstellung negativer Regelenergie bedeutet, ohne dass diese Energie durch das öffentliche Netz fließen muss. Allerdings kommt die Teilnahme am Regelenergiemarkt wegen der hohen Fixkosten bisher nur für relativ große Institutionen infrage, beispielsweise für Stadtwerke größerer Städte. Diese betreiben deswegen teilweise bereits Power-to-Heat-Anlagen, die beispielsweise an die von ihnen betriebenen Fernwärmenetze angeschlossen sind.

Energetische Bewertung

Grundsätzlich hat die Erzeugung von Elektrowärme den Nachteil, dass zwar praktisch keine Energie verloren geht, aber hochwertige elektrische Energie (reine Exergie) in eine wesentlich niederwertigere Energieform (Niedertemperaturwärme) umgewandelt wird. Dies hat am Ende einen höheren Gesamtenergieverbrauch zur Folge. Beispielsweise würde erheblich mehr Erdgas gespart, wenn Windstrom die Reduktion der Leistung von Gaskraftwerken zur Folge hätte, als wenn Erdgas im Heizungssektor teilweise durch Power to Heat ersetzt wird. Allerdings ist dies eben nicht möglich in Situationen, in denen mangels Strombedarf bereits alle Gaskraftwerke abgeschaltet sind.

Der Aspekt der Energieeffizienz ist im Falle von Stromüberschüssen wesentlich weniger relevant als sonst, da es nur um einen begrenzten Teil der elektrischen Gesamtproduktion geht, der sich eben schwer anders nutzen ließe. Mit anderen Worten ist überschüssige elektrische Energie zwar nicht physikalisch, aber doch ökonomisch weniger hochwertig als dieselbe Energie zu anderen Zeiten, so dass weniger gegen ihre Nutzung für die Wärmeerzeugung spricht. Dies gilt insbesondere, wo keine praktikablen Alternativen verfügbar sind.

Vergleich mit anderen Ansätzen

Eine sinnvolle Beurteilung des Konzepts Power to Heat ist nur möglich, wenn ein Vergleich mit anderen Optionen für die Behandlung von Überschüssen erfolgt. Von diesen gibt es eine ganze Reihe:

  • Die einfachste, aber auch ineffizienteste Lösung ist es, Kraftwerke “abzuregeln”, d. h. z. B. Windenergieanlagen im Falle von Überschüssen ganz abzuschalten oder in der Leistung zu mindern, wodurch die eigentlich zur Verfügung stehende erneuerbare Energie nicht genutzt wird. Dies ist nur akzeptabel, wenn es einen kleinen Teil der Produktion betrifft und keine praktikablen Alternativen bestehen.
  • Man könnte versuchen, die Entstehung von Stromüberschüssen von vornherein zu minimieren, indem man größtenteils gut regelbare Kraftwerke einsetzt. Da allerdings insbesondere die Windenergie eine relativ kostengünstige Form der Erzeugung erneuerbarer Energie darstellt, die die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern reduzieren und zum Klimaschutz wie auch der Luftreinhaltung beitragen kann, wird ein wesentlicher Teil von Windenergie im Strommix angestrebt. Es ist allerdings auch zu beachten, dass die Überschussproblematik der Windenergie stark davon abhängt, wie flexibel die anderen Kraftwerke sind. Große Überschüsse entstehen in Kombination mit nur eingeschränkt regelbaren Kohlekraftwerken und Kernkraftwerken (mit hoher Mindestleistung), viel weniger dagegen in Kombination mit flexiblen Gaskraftwerken und auch mit Biogas, insoweit dieses für die Spitzenlasterzeugung eingesetzt wird.
  • Nicht nutzbare Stromüberschüsse können durch Lastmanagement reduziert werden, d. h. durch gezielte Beeinflussung des Stromverbrauchs je nach der momentan Angebotssituation in den Stromnetzen. Dies ist durchaus sinnvoll, bietet jedoch in den konventionellen Formen nur begrenzte Potenziale. Power to Heat kann im Prinzip als die Schaffung zusätzlicher Stromverbraucher angesehen werden, die das Potenzial des Lastmanagements wesentlich erhöhen. Insofern ist Power to Heat keine Alternative zu Lastmanagement, sondern eine Methode zur Vergrößerung dessen Potenzials.
  • Im Prinzip eine elegante Lösung wäre der Einsatz von Speichern für elektrische Energie. Überschüssige elektrische Energie könnte also eingespeichert und zu Zeiten hohen Strombedarfs und geringer Windstromerzeugung wieder bezogen werden. Allerdings sind die realisierbaren Kapazitäten z. B. mit Pumpspeicherkraftwerken in Deutschland recht begrenzt, und die Kosten der Speicherung elektrischer Energie sind für einige Technologien (z. B. basierend auf Batterien) sehr hoch. Zwar könnten ohnehin benötigte Batterien für Elektroautos im Prinzip genutzt werden, jedoch sind die damit erzielbaren Potenziale ziemlich gering; dies kann also kein Ersatz für andere Ansätze sein.
  • Eine spezielle, auch im Zusammenhang mit Stromüberschüssen oft diskutierte Technologie mit einer Art von Energiespeicherung ist Power to Gas, d. h. die Erzeugung von EE-Gas. Ein Vorteil gegenüber Power to Heat wäre, dass das erzeugte Gas in sehr großen Mengen gespeichert und auch über große Distanzen transportiert werden könnte. Dies würde allerdings erst relevant, wenn die Stromüberschüsse so anwachsen würden, dass Lastmanagement, Power to Heat usw. an ihre Grenzen stoßen. Ansonsten ist die Energieeffizienz von Power to Gas erheblich geringer, während die Kosten sehr viel höher sind – insbesondere wegen der benötigten Anlagen für die Elektrolyse und die Methanisierung. Von daher ist fraglich, ob Power to Gas tatsächlich für die Nutzung von Überschüssen benötigt werden wird. (In einer fernen Zukunft könnte es allerdings andere Anwendungen finden, etwa zur Herstellung von Kraftstoffen in der Ära nach dem Erdöl und Erdgas.)
  • Wenn die Übertragungsnetze (für den Langstreckentransport) stark ausgebaut werden – idealerweise bis hin zum einem europäischen Supergrid mit Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) – können lokale Überschüsse leicht anderswo genutzt werden, so dass der Bedarf an Speichern, Lastmanagement oder auch Power to Heat entsprechend geringer ausfällt. Dieser Ansatz weist eine höhere Energieeffizienz als praktisch alle anderen Ansätze auf und ist gleichzeitig relativ kostengünstig.

Durch diese Vergleiche wird klar, dass Power to Heat vor allem eine kostengünstige und kurzfristig einsetzbare Methode mit hohem Potenzial für die Nutzung von Stromüberschüssen darstellt. Ihre Energieeffizienz ist geringer als die des Einsatzes von Speichern für elektrische Energie, die allerdings nur begrenzt verfügbar und meist weitaus teurer sind. Verstärkte Stromnetze (ein europäisches Supergrid) wären eine viel effizientere und gleichzeitig auch kostengünstige Lösung, deren Realisierung allerdings mehr Zeit erfordert. Power to Gas steht mit Power to Heat allenfalls in einer relativ fernen Zukunft in Konkurrenz, und zwar weniger als Speicher für Überschüsse als für die Herstellung von Kraftstoffen in einer post-fossilen Ära.

Literatur

[1]Extra-Artikel "Power to Gas – ein Hype?"

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Power to Gas, Elektrowärme, Elektrodenkessel, zuschaltbare Last, Elektroheizung, Fernwärme, erneuerbare Energie, Energiewende, Supergrid
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, erneuerbare Energie, Grundbegriffe

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