Windspeicherheizung

0,20…0,38 kg/kWh weniger CO2 pro Nutzenergie
0,16…0,30 kg/kWh weniger CO2 pro Windenergieeinsatz
ca. 5 ct/kWh Wärmekosten
bis ca. -70 €/t CO2 Vermeidungskosten, d.h. hier Ersparnis von 70 €/t CO2
bis zu 60 TWh Windenergieeinsatz möglich
bis zu 18 Mio. Tonnen CO2 können vermieden werden

Nechlin schmal

Die Nutzung von Windenergie an windreichen Tagen direkt in der Nähe der Windenergieanlagen (Nutzen statt Abregeln) ist die erste und billigste Lösung zur Sektorkopplung am Beginn der 2. Phase der Energiewende.

Statt mittels Einspeisemanagement abzuregeln, können diese Energiemengen als Wärme gespeichert und im nächsten Ort genutzt werden. Dieser Weg des „Umschalten statt Abschalten“ muss dringend gesetzlich ermöglicht werden, insbesondere, da hier ein sehr großes Potenzial vorliegt. Sehr große Teile von Norddeutschland könnten bei hinreichendem Ausbau mit Windenergie so beheizt werden.

Bei starkem Wind steht dem reichlich anfallenden Windstrom zunehmend keine Stromnachfrage mehr gegenüber. Die heute in Deutschland installierte Windenergieleistung von 65 GW entspricht bereits etwa der Höchstlast im Netz. Mit weiterem Windkraftausbau kommt es immer häufiger dazu, daß der Windstrom nicht zeitgleich verbraucht werden kann.

Die billigste Lösung hierfür ist, diesen Strommengen in Wärme zu wandeln und in grossen Wärmespeicher für die nächsten 2 Wochen für Heizzwecke vorzuhalten.

Diese Nutzung von Windenergiespitzen zur Aufheizung grosser Wärmespeicher zwecks ganzjähriger Heizung über Nah- bzw. Fernwärmenetze ist ein sehr attraktiver Pfad der Sektorkopplung. Hierbei ist eine direkte kurze elektrische Verbindung zwischen Windkraftanlage und PtH-Anlage erforderlich, da es um die Nutzung derjenigen Spitzen geht, für welche weder Netzkapazität noch Strombedarf existieren. Es handelt sich dabei um bis zu 10% des erzeugten Windstromes.
Ersetzt werden hier Öl- oder Gasheizungen, welche vollständig durch die Heizung aus dem Wärmespeicher abgelöst werden, oder auch vorhandene Kraft-Wärmekopplung bei vorhandenen Fernwärmenetzen.

Die CO2-Ersparnis beträgt dabei 0,2-0,38 kg pro Kilowattstunde Nutzenergie. Ausgehend von ca. 10% abzuregelnder Windenergie bei hinreichendem Ausbau beträgt das CO2-Vermeidungspotenzial dieser Technologie ca. 4% der heutigen CO2-Emissionen.

Der Preis der Wärme liegt bei 4,7 ct/kWh und ist damit günstiger als Wärme aus Öl oder Erdgas. Daher entstehen keine CO2-Vermeidungskosten, sondern ein Vermeidungsgewinn in Höhe von bis zu ca. 70 €/kg CO2.

Durch den Einsatz grosser Wärmespeicher ist es möglich, die CO2-Emissionen für die so beheizten Gebäude auf Null zu reduzieren und die vorhandenen Kessel- und KWK-Anlagen abzubauen.

Praxisbeispiel: Windspeicherheizung Nechlin

Bertikow breit

Es folgt die Herleitung der oben beschrieben Ergebnisse (Formelzeichenerklärung):

1. Die CO2-Ersparnis pro Nutzenergie ergibt sich zu 0,2...0,38 dfrac {kg}{kWh}

\Delta \varepsilon_{Nutz}=\varepsilon^{neu} _{Nutz}-\varepsilon^{alt} _{Nutz}=-\dfrac {\varepsilon ^{alt}}{\eta ^{alt}}    (wegen \varepsilon ^{neu} _{Nutz}=0)

Daraus folgt für den Ersatz von Ölkesseln  mit \varepsilon ^{alt} =0,27\dfrac {kg}{kwh},\eta ^{alt}=85\%

\Delta \varepsilon^{Oel}_{Nutz}=\dfrac {-0,27\dfrac {kg}{kWh}}{85\% }=-0,38\dfrac {kg}{kwh}.

Für den Ersatz von Gaskessel ergeben sich mit \varepsilon ^{alt}=0,2\dfrac {kg}{kwh},\eta ^{alt}=99\%

\Delta \varepsilon^{Gas}_{Nutz}=\dfrac {-0,2\dfrac {kg}{kWh}}{99\% }=-0,2\dfrac {kg}{kwh}.

2. Die CO2-Ersparnis pro eingesetzter Windenergie ergibt sich durch Multiplikation vorstehender Werte mit dem Wirkungsgrad des Wärmenetzes von 80%:

\Delta \varepsilon^{Oel} _{Wind}=0,38\dfrac {kg}{kWh}\times 80\% =0,3\dfrac {kg}{kWh}   bzw.  \Delta \varepsilon^{Gas} _{Wind}=0,2\dfrac {kg}{kWh}\times 80\% =0,16\dfrac {kg}{kWh}

Bei Ersatz von KWK ergibt sich dieselbe Grössenordnung. #

3. Der Preis der Nutzenergie (Wärmepreis) errechnen sich aus der Summe der Kosten der nötigen Energiekosten pro kWh (welche sich aus den Energieeinsatzkosten geteilt durch den Wirkungsgrad des Wärmenetzes ergeben), den Investitionskosten der Power-to-Heat-Anlage pro kWh sowie den Kosten des Wärmenetzes:

k=\dfrac {k_{Energie}}{\eta }+k_{Inv}+k_{Netz}

dabei ist p_{Inv}=\dfrac {I'}{\eta H}=\dfrac {I}{\eta H}\times \dfrac {\left( 1+z\right) ^{n}z}{\left( 1+z\right) ^{n}-1}

worin I´ die jährlichen anteiligen Investitionskosten incl. Zinsen darstellen und H die Vollbenutzungsstunden der Power-to-Heat-Anlage. I´ lässt sich mit Hilfe der Annuitätsformel aus den Investitionskosten I, dem Zinssatz z und der Lebensdauer n der Anlage berechnen.

Da abzuregelnde Windstrommengen keinen Wert haben, ist k_{Energie}=0. Der Wirkungsgrad des Wärmenetzes ist \eta=80%. Die Vollbenutzungsstunden liegen bei 400 Stunden und die Lebensdauer der Anlage erreicht 40 Jahre. Die Investitionskosten für die Power-to-Heat-Anlage und den Wärmespeicher liegen bei 200 €/kW. Als Zinssatz werden 3% angenommen. Die Kosten des Wärmenetzes liegen bei 2 ct/kWh #.

Mit diesen Daten ergibt sich ein Wärmepreis von

k=\dfrac {200 \dfrac {Euro}{kW} }{80\% \times 400h} \times\dfrac {\left( 1+3\% \right) ^{40}\times 3\% }{\left( 1+3\% \right) ^{40}-1}+ 2 \dfrac {ct}{kWh} = 4,7 \dfrac {ct}{kWh}

 

4. Die CO2-Vermeindungskosten sind negativ, d.h. es ergibt sich ein CO2-Vermeidungsgewinn. Um diesen zu ermitteln, sind zunächst Annahmen zum Wärmepreis einer Öl- bzw. Erdgasheizung zu treffen.

Für eine Ölheizung gilt: k^{Oel}=\dfrac {60\dfrac {ct}{l}}{1,19\times 85\% \times 9,8453\dfrac {kWh}{l}}\times 1,2=7,3\dfrac {ct}{kWh},

mit 60 ct/l Heizölpreis brutto, Faktor 1,19 für die Mehrwertsteuer (da hier Nettopreise verglichen werden), 85% Kesselwirkungsgrad, 9,8453 kWh/l Energiegehalt des Heizöl sowie einem Faktor von 1,2 zur Berücksichtung der Kesselbetriebskosten (Anschaffung, Wartung, Schornsteinfeger).

Für eine Gasheizung gilt: k^{Gas}=\dfrac {6,5\dfrac {ct}{kWh}}{1,19\times 99\% }\times 1,2=6,6\dfrac {ct}{kWh},

mit 6,5 ct/kWh Erdgaspreis, Faktor 1,19 für die Mehrwertsteuer, 99% Kesselwirkungsgrad und o.g. Faktor 1,2.

Bei oben berechnetem Netto-Wärmepreis ergibt sich somit eine Ersparnis von 1,9 ct/kWh gegenüber Erdgas- und 2,6 ct/kWh gegenüber Ölheizung.

Daraus lassen sich nun die CO2-Vermeidungskosten (hier Vermeidungsgewinn) berechnen, indem diese Wert durch die oben unter 1. ermittelte CO2-Ersparnis geteilt wird.

Es ergibt sich für Erdöl   \dfrac {2,6\dfrac {ct}{kWh}}{-0,38\dfrac {kgCO_{2}}{kWh}}= -68\dfrac {Euro}{tCO_{2}}

und für Erdgas \dfrac {1,9\dfrac {ct}{kWh}}{-0,2\dfrac {kgCO_{2}}{kWh}}=-9,5\dfrac {Euro}{tCO_{2}}.

5. Das CO2-Vermeidungs-Potenziel dieser Lösung ist erheblich. Die 10% Windstromproduktion, welche so genutzt werden können, entsprechen bis zu 60 TWh, d.h. das Potenzial dieser Lösung ergibt sich durch Multiplikation dieses Wertes mit der unter 1. berechneten CO2-Ersparnis pro eingesetzter Windenergie:

60 Mrd. kWh x 0,3 kg CO2/kWh = 18 Mio. Tonnen CO2 jährlich – 2,2% der heutigen Emissionen von 800 Mio. Tonnen.