Wörtlich bedeutet "Power-to-Heat" „Strom zu Wärme“ und bezeichnet damit ganz allgemein die Erzeugung von Wärme mittels Strom.

Was ist Power-to-Heat?

In der Regel wird der Begriff Power-to-Heat spezifisch für die Nutzung elektrischer Energie verwendet, die zeitweise im Überschuss vorhanden ist. Zu solchen Überschüssen an Energie kommt es, wenn die Einspeisung von Elektrizität ins Stromnetz außergewöhnlich hoch ist, oder der Verbrauch von Strom außergewöhnlich niedrig. Diese als Volatilität bezeichneten Schwankungen müssen abgefangen werden, um die Stromnetze stabil zu halten.

Die Übertragungsnetzbetreiber in Deutschland sind gesetzlich verpflichtet, die Stromnetzfrequenz bei 50 Hertz zu halten. Um dies gewährleisten zu können sind sie auf die Flexibilität dezentraler Erzeuger- und Verbraucheranlagen angewiesen. Wenn die Anzahl an erneuerbaren Energiequellen steigt, wird es punktuell mehr Leistungsspitzen geben als bisher. Den Strom ungenutzt abzuregeln, also die Produktion zu unterbrechen indem beispielsweise Windräder aus dem Wind gedreht werden, wäre eine denkbar schlechte Lösung. Um eine nachhaltige und stabile Energiepolitik zu betreiben, darf man den potentiellen, wertvollen Strom, der während Hochzeiten produziert wird, nicht ungenutzt verschwenden. Er muss in Speicher überführt werden, die eine Nutzung zu einem späteren Zeitpunkt möglich machen.

Hier kommt Power-to-Heat ins Spiel. Mit der Umwandlung von Strom in Wärme wird elektrische Energie für eine Weiterverwendung im Wärmenetz nutzbar gemacht, die sinnvoll und nachhaltig ist. Im Zuge der Energiewende werden alternative Methoden zur Energienutzung wie Power-to-Heat unverzichtbar. Und da die Übertragungsnetzbetreiber in Deutschland auf flexible, dezentrale Stromverbraucher- und Stromerzeugeranlagen angewiesen sind, wird die Bereitstellung mit attraktiven Prämien ausgeglichen.

Wenn Sie morgens Teewasser aufsetzen, wenden Sie im Grunde das Prinzip von Power-to-Heat an. Bereits Ende des 19. Jahrhunderts kamen die ersten Tauchsieder auf den Markt und parallel dazu entwickelten sich damit betriebene Wasserkocher. Der erste elektrische Wasserkocher mit eigenem Heizfach und einem integrierten Wärmestrahler-Konzept wurde 1893 auf der Weltausstellung in Chicago präsentiert. In den 20er Jahren waren Wasserkocher in den westlichen Haushalten bereits weit verbreitet. Das Prinzip hat sich in über hundert Jahren nicht wesentlich verändert: Durch die Widerstandsspirale des Heizelements wird Wärme ans Wasser abgegeben und so erhitzt. Das Prinzip ist einfach und effektiv – es geht schnell und hat einen Wirkungsgrad von über 98%.

Im Zuge der Energiewende erfährt Power-to-Heat nun eine Art Renaissance. Denn wenn Deutschland bis 2050 zum Großteil mit erneuerbaren Energien versorgt werden soll, braucht man geeignete Speicher. Der Wärmespeicherung kommt hier eine Schlüsselrolle zu, denn aktuell gibt es keine rentablen Alternativen. Vor diesem Hintergrund hat die Bundesregierung 2013 auch wieder die bereits verbotenen Nachtspeicherheizungen zugelassen.

Wie der Wasserkocher funktionieren auch viele Wärmespeicher nach dem Tauchsieder-Prinzip. Mittels Wärmezufuhr wird ein flüssiges, manchmal auch festes Medium erhitzt – also zum Beispiel Wasser. Die Wärmeerzeugung erfolgt mittels eines Widerstandmaterials – im Falle des Wasserkochers ist dies der Heizdraht.

Georg Simon Ohm entdeckte 1826 den Zusammenhang zwischen Stromstärke und Stromspannung. Wenn man eine der beiden Größen verändert, verändert sich auch die andere jeweils proportional dazu. Das heißt, legt man doppelt soviel Spannung an, erhält man auch die doppelte Stromstärke. Bei der Verwendung unterschiedlicher Stromleiter veränderte sich bei gleichbleibender Spannung und Stromstärke jedoch die Leistung des Stroms. Daraus schlussfolgerte Ohm, dass es eine konstante Größe geben muss, die abhängig vom leitenden Material ist und die elektrische Leistung beeinflusst. Diese Größe nannte er den Widerstand, der seither in der Einheit Ohm bemessen wird.

Das nach seinem Entdecker benannte „Ohm‘sche Gesetz“ spielt bei der Wärmeerzeugung aus Strom eine wichtige Rolle. Die Größe des Widerstandes beeinflusst die Wärmeentwicklung. Je höher der Widerstand, desto mehr Wärme wird freigesetzt. Für die Wärmeheizungen werden deshalb sogenannte hochohmige Heizleiter verwendet.

Regelleistung

Die Übertragungsnetzbetreiber in Deutschland sind gesetzlich dazu verpflichtet, das Stromnetz bei einer Mittelfrequenz von 50Hz stabil zu halten. Wenn diese Netzfrequenz sinkt oder steigt, müssen die Netzbetreiber reagieren. Die Netzfrequenz ist abhängig von Einspeisung und Verbrauch. Wenn mehr Strom ins Netz gespeist wird als verbraucht wird, steigt die Frequenz, umgekehrt sinkt sie. Die schlimmste Folge dieser als Volatilität bezeichneten Schwankung ist ein Stromausfall wegen Über- oder Unterspannung.

Um die Stromnetzfrequenz stabil halten zu können, wird die Energie im Netz gezielt geregelt. Dafür verwalten die Übertragungsnetzbetreiber den sogenannten „Regelenergiemarkt“. Je nachdem ob ein Überschuss oder ein Mangel an Strom im Netz herrscht, müssen dezentrale Anlagenbetreiber in der Lage sein, diese Volatilität abzufangen. Die Abnahme überschüssigen Stroms nennt man „negative Regelleistung“, die Zuführung von Strom bei Mangel nennt man „positive Regelleistung“. Die Leistungen der Anlagenbetreiber staffeln sich zudem nach deren Reaktionszeit. Können die Anlagenbetreiber praktisch umgehend auf eine auftretende Volatilität reagieren, spricht man von „Primärregelleistung“, bei einer Reaktionszeit von bis zu 5 Minuten von „Sekundärregelleistung“ und bei bis zu 15 Minuten von „Minutenreserve“.

Da die Netzbetreiber sicherstellen müssen, dass ihre Reserven immer ausreichend zur Verfügung stehen um die Stromnetzfrequenz zu regeln, zahlen sie für deren Bereitstellung einen sogenannten „Leistungspreis“. Kommt es dann tatsächlich zum Bedarf an Reserven, werden die Betreiber über den sogenannten „Arbeitspreis“ vergütet.

Die Reaktionszeiten von Power-to-Heat-Anlagen ermöglichen grundsätzlich einen Einsatz in allen Bereichen der Regelenergie. Aufgrund der aktuellen Gegebenheiten am Energiemarkt ist die negative Sekundärleistung momentan jedoch der attraktivste Marktplatz.

Power-to-Heat leistet
einen wichtigen Beitrag
zur Energiewende

EisMan-Schaltungen und Power-to-Heat

Gerade erneuerbare Energiequellen sorgen für enorme Schwankungen bei der Stromerzeugung. An der Küste kommt es beispielsweise aufgrund von Starkwinden punktuell zu extrem hohen Einspeisungen, so dass die vorhandene Infrastruktur nicht ausreicht, den erzeugten Strom innerhalb des Verteilnetzes zu transportieren oder in die höhergelegene Netzebene zu transformieren.

Wenn das Verteilnetz zu stark überlastet wird, kommt es zu einer Zwangsabregelung. Diese ist gesetzlich geregelt und läuft unter dem Begriff „Einspeisemanagement“, kurz EisMan. Die sogenannte EisMan-Schaltung regelt die betroffenen Anlagen schrittweise herunter – zunächst auf 60, dann auf 30 und schließlich auf 0 Prozent.

Für die Abschaltung wird den Betreibern zwar ein Ausgleich gezahlt, dennoch stellt das Prozedere eine hohe Belastung für die Anlage dar und kann langfristig gesehen Schäden verursachen. Gleichzeitig sorgt es häufig für einen Engpass in der Wärmenetzversorgung, die an die Anlage gekoppelt ist.

Ist eine Glood-Power-to-Heat-Anlage im Einsatz, kann diese das Rundsteuerempfängersignal, das eine EisMan-Schaltung auslöst, abfangen. So kann der Energieerzeuger statt der stufenweisen Abschaltung das Power-to-Heat-Modul ansteuern. Die Ausspeiseleistung wird in diesem Fall wie gewünscht zurückgefahren, ohne jedoch die Wärmeenergie für das Wärmenetz einbüßen zu müssen.

Zukünftig werden Überschusssituationen durch den weiteren Ausbau regenerativer Energien vermehrt auftreten. Deshalb müssen Lösungen für eine sinnvolle Nutzung dieses Stroms gefunden werden – die zunehmende Abschaltung der EE-Anlagen wäre die schlechteste Alternative. Die Wärmespeicher der KWK-Anlagen bieten eine sinnvolle, kostengünstige und relativ einfach umzusetzende Möglichkeit zur Nutzung dieses Stroms. Durch den Einsatz von Elektroerhitzer in den Wärmespeichern können im Jahr 2030 rund 6 TWh und im Jahr 2050 zwischen16 TWh und 22 TWh genutzt werden. Dies bietet für das Gesamtsystem deutliche Vorteile: Die Stromnetze insbesondere Verteilnetze werden durch die in der Fläche vorhandenen KWK-Anlagen entlastet. Flexible KWK-Systeme verbinden auch zukünftig den Strom- und Wärmemarkt und erreichen damit Effizienz und die Integration erneuerbarer Energien.

Prognose-Studie 2013

Warum Power-to-Heat?

Bis 2050 plant die Bundesrepublik Deutschland Strom zu 80 % aus erneuerbaren Energien zu gewinnen. Die Quellen für erneuerbare Energien wie Sonne und Wind sind allerdings nur bedingt regulierbar. Im Sommer kann mehr Sonnenenergie „geerntet“ werden als im Winter und Wind ist der aktuellen Witterung unterworfen. Um das Ziel der Energiewende zu erreichen ist es also notwendig, Energie speichern zu können. Nur so kann man sicherstellen, dass die Energie dann zur Verfügung steht, wenn sie benötigt wird, ungeachtet wie das Wetter ist.

Entscheidend für die Sinnhaftigkeit des jeweiligen Speichermediums sind dabei Wirtschaftlichkeit und Effizienz. Die direkte Speicherung von Energie – die sogenannte Primärenergiespeicherung – ist aktuell nicht leistbar. Die Kapazität an Pumpspeicherwerken in Deutschland reicht nicht aus, um den Bedarf zu decken. Gleichzeitig ist der Einsatz von geeigneten Batterien und Power-to-Gas derzeit noch viel zu teuer. Auch der diskutierte Ansatz, Akkus von Elektroautos zu nutzen, um die Schwankungen im Stromnetz ausgleichen zu können wird noch nicht als rentabel eingeschätzt.

Da die Möglichkeiten für die Primärenergiespeicherung derzeit nicht gegeben sind, ist die einzige Alternative Strom in Sekundärenergie umzuwandeln, ihn also in einer anderen Energieform zu speichern. Die bisher gültige Sichtweise, dass Strom auf diese Weise an Wert verliert, muss vor diesem Hintergrund völlig neu bewertet werden.

Wir werden in Zukunft zwangsläufig Stromüberschüsse durch PV- und Windanlagen produzieren, die bei fehlender Speichermöglichkeit ungenutzt abgeregelt werden müssten. Eine solche Verschwendung von wertvollem Strom ist natürlich indiskutabel. Die einzige praktikable Möglichkeit, die derzeit auf dem deutschen Energiemarkt besteht, ist die Überführung von Strom in Wärmenergie, die dann für Wärmenetze genutzt werden kann. Wenn die Energiewende gelingen soll, wird an Power-to-Heat also kein Weg vorbeiführen.

In einem Strommarkt mit einem weiter zunehmenden Anteil von Strom aus erneuerbaren Energien werden wir Strom, der sonst abgeregelt werden müsste, für weitere Anwendungen, etwa im Wärmebereich, nutzen.

Koalitionsvertrag zwischen CDU, CSU und SPD
18. Legislaturperiode, Berlin, 14. Dezember 2013; Kapitel 1.4., S. 40

Wirtschaftlichkeit

Eine Glood-Power-to-Heat-Anlage bringt Ihnen klare wirtschaftliche Vorteile. Schon die bloße Bereitstellung der Anlage wird Ihnen vergütet. Den überschüssigen Strom, der bei einer Überspeisung des Stromnetzes durch erneuerbare Energien entsteht, können Sie in Wärme umwandeln. Sie erhalten also kostenlose Wärmeenergie und sparen zudem fossile Brennstoffe.

Das schont nicht nur Ihren Geldbeutel, sondern auch die Umwelt. Sie helfen dadurch zum einen die CO2-Emission zu senken. Gleichzeitig unterstützen Sie das Gelingen der Energiewende, indem Sie mit Ihrer Power-to-Heat-Anlage dazu beitragen, das Stromnetz zu stabilisieren.

Dieser Beitrag zur Stromnetz-Stabilisierung wird Ihnen auf zwei Arten vergütet. Zunächst erhalten Sie den Leistungspreis für die Bereitstellung Ihrer Anlage. Sie werden also allein dafür bezahlt, dass Sie in der Lage sind Strom abzunehmen, wenn es notwendig wird.

Sobald dieser Fall eintritt, erhalten Sie auch für die Abnahme des Stroms eine Vergütung in Form des sogenannten Arbeitspreises. Eine Glood-Power-to-Heat-Anlage zahlt sich für Sie also im wahrsten Sinne des Wortes aus.

Für wen kommt Power-to- Heat in Frage?

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Glood GmbH | Power to Heat
Am Oberfeld 9
83026 Rosenheim

Telefon: +49 (0) 8031 247 517 1
E-Mail: info@glood.de

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