Wärme auf Vorrat
Wie Industrie- und Gewerbebetriebe mit thermischen Speichern Energie und Emissionen sparen
Thermische Speicher entkoppeln die Erzeugung und den Verbrauch von Wärme. Das macht es unter anderem möglich, Abwärme besser zu nutzen, Wärmepumpen effizienter zu betreiben oder den Eigenverbrauch von Solarstrom zu steigern. So sinken die Energiekosten – und auch die CO2-Emissionen. Kleinen und mittelständischen Industrie- und Gewerbebetrieben bieten Wärmespeicher viele Einsatzmöglichkeiten.
Das Wichtigste im Überblick:
Thermische Speicher entkoppeln Wärmeerzeugung und -verbrauch – und senken so Energiekosten und Emissionen. Davon profitieren auch kleine und mittelständische Betriebe.
Abwärme verwerten: In vielen Prozessen entsteht Wärme, die ungenutzt verloren geht. Thermische Speicher nehmen diese Energie auf und geben sie bedarfsgerecht wieder ab. So lassen sich Effizienz und Wirtschaftlichkeit steigern – besonders bei diskontinuierlichen Fertigungsprozessen oder schwankendem Wärmebedarf.
Günstige Strompreise nutzen: Mit Power-to-Heat-Anlagen oder Wärmepumpen können Unternehmen Wärme gezielt dann erzeugen, wenn Strom an der Börse günstig oder sogar im Überschuss vorhanden ist. Speicher nehmen diese Energie auf und geben sie bedarfsgerecht wieder ab.
Eigenverbrauch steigern: Unternehmen können mit einem Wärmespeicher die Eigenverbrauchsquote ihres Solarstrom erhöhen: Power-to-Heat-Anlagen oder Wärmepumpen erzeugen mit der überschüssigen Energie Wärme, die der Speicher aufnimmt, bis benötigt wird.
Vielfältige Technik: Kleine und mittelständische Betriebe finden passgenaue Lösungen für unterschiedliche Einsatzfelder – für Niedertemperaturprozesse genauso wie solche im Bereich mehrerer hundert Grad.
Attraktive Förderung: Der Bund übernimmt bis zu 60 Prozent der förderfähigen Kosten eines Wärmespeichers.
Wer sich im Mittelalter in bitterkalten Nächten warmhalten wollte, wusste sich zu helfen: Einfach ein paar heiße Steine unter die Bettdecke legen! In der Feuerstelle oder im Ofen aufgeheizt, gaben sie die Wärme nachts langsam ab. Mit diesem Low-Tech-Wärmespeicher ließ es sich gut bis zum Morgengrauen im Bett aushalten.
Die Menschen machten sich damals zunutze, dass sich Wärme sehr einfach speichern lässt. Und das ist, natürlich mit moderneren Mitteln, auch heute noch attraktiv: Speicher machen es möglich, die Erzeugung und den Verbrauch von Wärme zeitlich zu entkoppeln – ein starker Hebel, um Energiekosten zu senken, etwa durch die bessere Nutzung von Abwärme. Gerade Industrie- und Gewerbebetrieben kommt das zugute. Denn laut Umweltbundesamt entfallen 70 bis 80 Prozent ihres Energieverbrauchs auf die Wärmeversorgung.
Wärmespeicher können Temperaturen in weiter Spanne bereitstellen, je nach Speichermedium von unter hundert bis über tausend Grad – perfekt für Prozesswärme, wie sie beispielsweise zum Formen oder Schmelzen von Stoffen, zum Trocknen und Pasteurisieren oder für die Dampferzeugung benötigt wird. In Branchen wie der Metall-, Glas- und Chemieindustrie oder bei Lebensmittel-, Papier- oder Kunststoff-Herstellern macht Prozesswärme in der Regel rund 60 bis 70 Prozent des gesamten Energiebedarfs aus.
Viele große Unternehmen haben bereits thermische Speicher in ihre Produktionsprozesse integriert. Doch auch für kleine und mittelständische Betriebe mit Bedarf an Prozesswärme wird die Technologie immer interessanter. Denn technologische Fortschritte und die Entwicklungen auf den Energiemärkten machen Wärmespeicher stetig rentabler. Die absehbar steigenden CO2-Kosten fossiler Energieträger werden die Wirtschaftlichkeit weiter erhöhen.
Die folgenden Beispiele zeigen, auf welch vielfältige Weise KMUs aus Industrie und Gewerbe Wärmespeicher einsetzen können.
Abwärme optimal nutzen
In vielen Prozessen von Industrie und produzierendem Gewerbe entsteht Abwärme, die sich nicht sofort nutzen lässt und deshalb in die Umwelt entweicht. Anders mit einem Wärmespeicher: Er nimmt die Abwärme auf und gibt sie später bedarfsgerecht wieder ab. So schafft er mehr Spielraum bei der Verwertung der Abwärme. In der Folge sinken die Energiekosten, weil die Betriebe weniger Prozesswärme erzeugen müssen.
Besonders nützlich sind Wärmespeicher, wenn die Prozesse diskontinuierlich erfolgen, so dass Wärme-Angebot und -Bedarf schwanken. Die Speicher sorgen dafür, dass möglichst viel der Abwärme genutzt wird, entweder direkt in der Produktion oder indirekt als Energiequelle für Wärmepumpen.
Mehr zum Thema Abwärme lesen Sie in unserem White Paper „Wie Unternehmen ihre Abwärme nutzen können“.
Niedrigere Kosten bei der Wärmeerzeugung
Darüber hinaus können Unternehmen mit einem thermischen Speicher quasi auf Vorrat Wärme erzeugen, um so vom Auf und Ab am Strommarkt zu profitieren. Am einfachsten geht das mit einer Power-to-Heat-Anlage, eine Art übergroßer elektrischer Tauchsieder. Sie erhitzt Wasser oder andere Speichermedien, wenn die Preise an der Strombörse gerade niedrig oder gar negativ sind. Dynamische Stromtarife bilden die Preisentwicklung viertelstundengenau ab.
Effizienter als Power-to-Heat-Anlagen arbeiten Wärmepumpen, deren Betrieb sich mit einem dynamischen Tarif ebenfalls am Strommarkt ausrichten lässt. Auch hier hilft ein Speicher, Niedrigpreis-Phasen optimal auszunutzen. Industrielle Hochtemperatur-Wärmepumpen liefern Temperaturen von bis zu 200 Grad, wie sie für viele Prozesse etwa in der Lebensmittel-, Chemie- und Papierindustrie oder in der Holz- und Textilverarbeitung benötigt werden.
Doch auch unabhängig vom gewählten Stromtarif sparen thermische Speicher Energiekosten, wenn sie als Wärmequelle für eine Wärmepumpe eingesetzt werden. Sysmex Europe zum Beispiel, ein in Norderstedt ansässiger Hersteller von Produkten für medizinische Labor, nutzt einen sogenannten Eisspeicher, um die Effizienz seiner Wärmepumpe bei winterlichem Heizen und sommerlichem Kühlen zu steigern. Lesen Sie hier mehr darüber, wie Sysmex Europe von diesem System profitiert!
Betriebe können mit Wärmespeichern zudem Lastspitzen kappen. Das erlaubt es, Wärmepumpen mit geringerer Leistung einzusetzen. So sparen KMUs nicht nur Investitionskosten, sondern auch Netzentgelte, da die zu zahlenden Summen maßgeblich von der maximal aufgenommenen Leistung im Jahresverlauf abhängen.
Eigenverbrauch erhöhen, Regelenergie liefern, Erneuerbare nutzen
Ebenso lässt sich mit einem Wärmespeicher der Eigenverbrauch von Strom aus einer Photovoltaik- oder einer KWK-Anlage erhöhen: Power-to-Heat-Anlage oder Wärmepumpen produzieren mit dem überschüssigem Strom Wärme, die in den Speicher geleitet wird, um später den Bedarf zu decken. Davon profitieren vor allem Betriebe, die am Wochenende nicht produzieren – oder die mehr Solarstrom erzeugen als sie verbrauchen können.
Eine weitere Einsatzmöglichkeit ist das Bereitstellen von Regelenergie, mit der die Netzbetreiber das Stromnetz entlasten. Dazu erhöhen Power-to-Heat-Anlagen oder Wärmepumpen kurzzeitig ihre Leistung, wenn der Netzbetreiber dies anfordert. Dafür bekommen die Unternehmen eine Vergütung. Der Speicher nimmt die erzeugte Wärme auf, wenn sie gerade nicht gebraucht wird.
Darüber hinaus können Wärmespeicher helfen, die eigene Energieversorgung klimafreundlich oder gar -neutral zu gestalten. Ein Beispiel dafür ist das Unternehmen Bio-FROST Westhof, das in Dithmarschen eine Frosterei für Obst und Gemüse betreibt: Der Betrieb hat einen sogenannten Hochtemperatur-Stahlspeicher installiert, der immer dann aufgeheizt wird, wenn es im öffentlichen Stromnetz ein Überangebot gibt – also wenn Windräder und Photovoltaik-Anlagen sehr viel Strom einspeisen. Die gespeicherte Energie wird dann bei Bedarf den Prozessen in Form von Dampf zugeführt. Hier lesen Sie mehr darüber, wie Bio-FROST seinen Speicher einsetzt.
Auch Kälte lässt sich speichern
Ähnlich wie Wärme lässt sich auch Kälte speichern, die Betriebe für Produktionsprozesse oder die Klimatisierung benötigen – auch wenn das physikalisch nicht ganz korrekt formuliert ist, weil nicht Kälte gespeichert wird, sondern Wärme auf einem sehr niedrigen Temperaturniveau. Genauso wie Wärmespeicher entkoppeln Kältespeicher Erzeugung und Verbrauch. Da der Kältebedarf oft schwankt, kann die Kühltechnik gleichmäßiger und damit effizienter arbeiten, wenn sie ein Speicher unterstützt. Zudem genügt eine geringere Anschlussleistung, so dass die Netzentgelte geringer ausfallen.
Für niedrigere Energiekosten sorgt auch, den Speicher gezielt dann abzukühlen, wenn die Strompreise gerade niedrig sind. Dafür müssen Betriebe einen dynamischen Stromtarif abschließen.
Externe Experten hinzuziehen
Auch wenn sich Wärme sehr gut speichern lässt, ist die Einbindung der Anlagen in die Energietechnik eines Betriebs nicht trivial. Daher ist es meist sinnvoll, externe Fachleute hinzuzuziehen – auch, weil sie gut einschätzen können, ob ein thermischer Speicher im konkreten Fall technologisch und wirtschaftlich überhaupt sinnvoll ist. Ein zentrales Kriterium ist hier, wie viel Prozesswärme ein Betrieb zu welchem Zeitpunkt benötigt. Soll der Speicher vor allem für Abwärme genutzt werden, kommt hinzu, wie groß das Angebot an überschüssiger Wärme aus den Prozessen ist.
Im Vorteil sind hier Betriebe, die ein unternehmensweites Energie- oder Umweltmanagementsystem (EMS/UMS) implementiert haben: Die Systeme liefern detaillierte Daten zu Energieerzeugung und -bedarf – sehr hilfreich, um eine fundierte Entscheidung über die Investitions in einen Wärmespeicher zu fällen. Detaillierte Informationen zu EMS und UMS finden Sie in unserem White Paper „Systematisch nachhaltig“.
Förderprogramme für thermische Speicher
Der Bund unterstützt kleine und mittelständische Unternehmen bei Investitionen in Wärmespeicher mit dem Programm „Bundesförderung für Energie- und Ressourceneffizienz in der Wirtschaft“ (EEW). Je nach Vorhaben können sie Mittel aus dem Modul 1 „Querschnittstechnologien“, Modul 2 „Prozesswärme aus Erneuerbaren Energien“ oder Modul 4 „Basisförderung“ in Anspruch nehmen. Der Bund übernimmt bis zu 60 Prozent der förderfähigen Kosten. Alternativ haben Unternehmen die Möglichkeit, bei der KfW einen zinsgünstigen Kredit mit Tilgungszuschuss in Anspruch zu nehmen.
Zusatzinfo: Speichermedien mit unterschiedlichen Eigenschaften
Wärme lässt sich auf mehrere Weise speichern. Am einfachsten und kostengünstigsten geht das mit Wasser als Speichermedium. Allerdings sind damit in der Regel nur Temperaturen von bis zu 100 Grad möglich. Diese Speicher eignen sich daher für alle Prozesse, in denen Niedertemperatur-Wärme benötigt wird – zum Beispiel für Trocknungsprozesse in der Papier- oder Textilindustrie oder für das Pasteurisieren von Lebensmitteln. Auch Raumwärme können solche Speicher liefern. Mit Materialien wie Beton oder Gestein lassen sich auch höhere Temperaturen bereitstellen, wie sie etwa in der chemischen Industrie für Destillationen oder Synthesen oder in der Lebensmittelbranche für die Sterilisierung benötigt werden. Da sich die Temperatur der Medien beim Laden und Entladen ändert, spricht man hier von sensiblen Speichern.
Anders dagegen die Latentwärmespeicher: Sie speichern Wärme durch den Phasenwechsel eines Materials, meist von fest zu flüssig. Beim Entladen wird der Prozess umgekehrt. Als Medien werden hier etwa Paraffine, Salzhydrate oder auch Eis genutzt. Diese Speicher können Temperaturen von bis zu mehreren hundert Grad liefern. Damit eignen sie sich sehr gut unter anderem für die Metallverarbeitung oder für Prozesse in der Chemie- und Pharmaindustrie. Ihre Energiedichte ist deutlich höher als die der sensiblen Speicher – ein Vorteil, wenn der Platz im Werk begrenzt ist.
Thermochemische Speicher laden Wärme, indem sie zwei Stoffe zusammenführen. Die Wärme ist dann in der dabei entstehenden Bindungsenergie gespeichert. Trennt man die Stoffe, wird sie wieder freigesetzt. Die Wärmeverluste dieser Speicher sind sehr gering. Daher eignen sie sich gut, um Wärme über einen langen Zeitraum zu halten. Thermochemische Speicher gelten allerdings als technisch noch nicht ausgereift. Daher werden sie bislang nur in Pilotprojekten wissenschaftlicher Einrichtungen eingesetzt.
Sie haben Fragen zum klimaneutralen Wirtschaften? Nehmen Sie gern Kontakt auf.
