Power-to-Heat Erzeugung & Infrastruktur 2 20 - 50Hertz
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2 20
Ausgabe 2
April 2020
Erzeugung & Infrastruktur
Power-to-Heat
Von Claus Hodurek, Senior Manager Energiewirtschaft, 50Hertz Transmission
GmbH
ISSN: 1611-2997
Erzeugung & Infrastruktur
Power-to-Heat
„Nutzen statt Abregeln“ als regionale Lösung
Foto: © Stadtwerke Rostock
Wie sinnvoll ist die Umwandlung von Strom aus erneuerbaren Energien in grüne Fern-
wärme? Eine Kooperation zwischen 50Hertz und den Stadtwerken Rostock zeigt auf,
wie eine Power-to-Heat-Anlage einen volkswirtschaftlichen und ökologischen Nutzen
erzielen kann.
Von Claus Hodurek, Senior Manager Energiewirtschaft, 50Hertz Transmission GmbH
M
it dem Strommarktgesetz 2017 Ergänzend sollen sich mittelfristig soge- Der zweite Grund: Langfristig brauchen
hat die Bundesregierung die nannte Power-to-X-Technologien in das wir in einem von Wind und Sonne domi-
Rahmenbedingungen ange- Energiesystem integrieren. Dafür gibt es nierten System einen Ausgleich zwischen
passt, um bis 2030 den Anteil zwei Gründe: Zum einen lassen sich wegen Zeiten massiver Überproduktion bei guten
der erneuerbaren Energien am Stromver- unterschiedlicher Genehmigungs- und Windverhältnissen und starker solarer
brauch auf 65 Prozent zu erhöhen. Der Bauprozesse die erforderlichen Strom- Einstrahlung sowie Zeiten fehlender
Schwerpunkt liegt dabei auf einem Ausbau leitungsprojekte nicht in der gleichen Stromproduktion aufgrund von Verhältnis-
der Stromnetzinfrastruktur, insbesondere Geschwindigkeit umsetzen wie der Bau sen, die einer Dunkelflaute nahekommen.
im Höchstspannungsbereich. Durch den neuer Erzeugungsanlagen. Dadurch ergibt Um jederzeit die Versorgung zu sichern
Ausstieg aus der Atomenergie werden in sich für bestimmte Zeiträume immer ein und gleichzeitig möglichst jede erzeugte
den nächsten Jahren viele Großkraftwerke regionaler Stromüberschuss, der dann und erzeugbare Kilowattstunde Strom zu
in Süddeutschland wegfallen. Sie sollen sinnvollerweise in eine andere Energieform nutzen, kann die Umwandlung von Strom
durch Offshore-Windkraft in der Nord- und – zum Beispiel Wärme – überführt wird in Wärmeenergie oder einen synthetisch
Ostsee sowie durch Onshore-Windkraft an anstatt die Anlagen abzuregeln. Beim Bau erzeugten Brennstoff unter bestimmten
windreichen nord- und mitteldeutschen von neuen Stromübertragungsleitungen ist Umständen volkswirtschaftlich und ökolo-
Standorten ersetzt werden. Auch ein wei- aufgrund umfangreicher Beteiligungs- und gisch sinnvoll sein.
terer Ausbau von Photovoltaikkapazitäten Planungsverfahren sowie zu erwartender
auf Frei- und Dachflächen ist nach Aufhe- gerichtlicher Einsprüche mit Zeithorizonten Momentan liegt der Zeitpunkt eines abso-
bung des Solardeckels vorgesehen. von zehn Jahren oder mehr zu rechnen. luten Überangebotes von Strom jedoch in
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sehr weiter Ferne. Vorrang muss zunächst
der effiziente Transport des Stroms zu den
privaten und industriellen Endverbrau- 01 Schematische Darstellung des PtH-Speichers der Stadtwerke Rostock
chern haben. Es bleibt also noch genü-
gend Zeit, sich auf das Zeitalter Power-to-
X vorzubereiten und sich nicht vorschnell
auf bestimmte Technologien, Erzeugungs-
orte und Transportwege festzulegen.
Aktuell fehlende Geschäftsmodelle
Geschäftsmodelle für Power-to-X-Tech-
nologien kommen aktuell ohne eine
staatliche Förderung nicht zu positiven
betriebswirtschaftlichen Ergebnissen.
Investitionen in solche Anlagen sind
derzeit nicht zu refinanzieren und daher
von Stadtwerken oder anderen Betreibern
kaum aus eigener Kraft zu stemmen. Von
allen derzeit diskutierten technischen Va-
rianten kommt die Power-to-Heat-Techno-
logie (Pth) momentan am ehesten in den
Bereich einer profitablen Geschäftsstrate-
gie. Dennoch hat auch sie mit erheblichen
wirtschaftlichen Problemen zu kämpfen.
Vor einigen Jahren galt diese Technolo- sen deutlich unter -150 €/MWh arbeitet den die voraussichtlich über fünf Jahre
gie als Shootingstar bei Regelleistungen eine PtH-Anlage mit Gewinn. erforderlichen Einsparungen von Erdgas
– heute ist kein Ergebnisbeitrag mehr in und CO2 betrachtet. Diese Einsparungen
diesem Segment zu erwirtschaften, weil Die volkswirtschaftliche Perspektive fallen an, wenn bei Engpasssituationen
durch die Absenkung der Eintrittshürde Im sogenannten „Nutzen statt Abregeln“– im ostdeutschen Übertragungsnetz die
für Teilnehmer am Regelenergiemarkt ein Paragrafen des EnWG (§13 Abs. 6a EnWG) Windkraft die Rolle des GuD-Kraftwerkes
starker Wettbewerbsdruck herrscht. hat der Gesetzgeber einen Passus vorge- für die Fernwärmeversorgung übernimmt.
sehen, wonach der Übertragungsnetzbe- Im Ergebnis zeigte sich ein positiver volks-
Seit 2013 sind die Preise bei Sekundär- treiber die Finanzierung einer PtH-Anlage wirtschaftlicher Effekt.
regelleistung, abgesehen von einigen übernehmen kann. Voraussetzung ist, dass
kurzfristigen Ausschlägen nach oben, um dadurch die Drosselung der Produktion Die GuD/PtH-Anlage befindet sich in der
fast 80 Prozent zurückgegangen. Unter von Strom aus erneuerbaren Energien – Nähe eines starken Einspeisepunktes, des
dem Gesichtspunkt, dass PtH vornehm- vornehmlich Windstrom – abgeschwächt Umspannwerkes Bentwisch. Dort erfolgen
lich für negative Regelleistung genutzt werden kann. Denn gesellschaftlich ist auch die Offshore-Windeinspeisungen
wurde, machen sich dabei auch die hohen es oftmals schwer vermittelbar, dass sich aus den Ostseewindparks Baltic I und
Arbeitspreise bemerkbar. Ein Einsatz von Windräder trotz Wind nicht drehen. Dabei II. Weiter östliche Einspeisungen von
PtH-Anlagen dürfte damit mittelfristig im spielt die volkswirtschaftliche Betrachtung Binnenwindparks in die Umspannwerke
Regelarbeitsmarkt kaum noch stattfinden. die Hauptrolle. Übersteigen die eingespar- Putlitz und Wessin ermöglichen in jedem
Zu den Strombezugskosten kommen noch ten Brennstoffe zuzüglich der Opportuni- Falle bei Starkwind eine Entlastung des
Netzentgelte und Umlagen hinzu. Deshalb täten aus dem CO2-Zertifikateverbrauch Nord-Süd-Leistungsflusses, womit generell
lassen sich erst bei erheblich negativen die Investitionskosten in einem absehba- ein entsprechender Ausgleich für eine
Strompreisen betriebswirtschaftlich neut- ren Zeitraum, dann ergibt sich auch für Windkraftreduktion im Engpassmanage-
rale Ergebnisse erzielen. die Verbraucher ein positiver Effekt. Fast ment gegeben ist.
alle betriebswirtschaftlichen Kosten sind
Will man die Wärmerzeugung in einem endogene Kosten, die ohnehin anfallen Für die Berechnungen wurden eine jah-
hochmodernen KWK-Heizkraftwerk und lediglich anders aufgeteilt werden. restypische Wärmeverbrauchsganglinie
mit hohen Wirkungsgraden durch eine Ausschließlich die Investitionskosten müs- und der Betrieb der GuD-Anlage mit den
PtH-Anlage ersetzen, laufen allein durch sen einem Effizienzvergleich standhalten. notwendigen Redispatch-Anforderungen
Netzentgelte und Umlagen in der Hoch- Auf der Basis des § 13 EnWG investiert verglichen (Abb. 2). Immer wenn Poten-
spannung Kosten in Höhe von 121 Euro/ 50Hertz in mehrere PtH-Anlagen im zial innerhalb der KWK-Anlage vorhan-
MWh und in der Mittelspannung in Höhe Bereich der Ostseeküste und in Ham- den war und im Engpassmanagement
von 144 Euro/MWh auf, vorausgesetzt die burg. Standorte werden in Neubranden- eine Abregelung von Wind nötig wurde,
Leistungspreise teilen sich auf etwa 1.200 burg, Stralsund und in Rostock sein. wurde dieser anteilig mittels KWK und
Benutzungsstunden auf. Die Investitions- Bei den Stadtwerken Rostock entsteht PtH in der Simulation substituiert. Dabei
kosten sind hierbei noch nicht berücksich- eine PtH-Anlage auf dem Gelände des zeigte sich, dass die zuvor als Effizienz-
tigt, müssten also zusätzlich kompensiert GuD-Kraftwerks Marienehe, die in die punkt eingeschätzte Jahresnutzungsdauer
werden. Hinzu kommen die entgangenen Fernwärmeversorgung der Hanse- und der Flexibilität (1.200 Vollbenutzungs-
Einnahmen aus dem nicht erzeugten Universitätsstadt Rostock eingebunden stunden) mit etwa 1.620 Vbh um 420
KWK-Strom. Das bedeutet betriebswirt- ist (vgl. Abb. 1). Bei der wirtschaftlichen Vbh deutlich übertroffen wurde. Darüber
schaftlich: Erst bei negativen Bezugsprei- Bewertung der Effizienz der Anlage wur- hinaus waren Annahmen zum Roh-
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zug das Netz, an dem der Anschluss er-
folgt, sowie das vorgelagerte Netz sowohl
02 Jahresvollaststunden Redispatchpotenzial KWK und PtH Rostock statisch als auch dynamisch verkraftet. Im
Regelfall wurden diese Netze so ausgelegt,
dass eine Stromerzeugung vorhanden ist,
Dauerlinie Abruf die sowohl in Bezug auf Wirk- als auch
50 Blindleistung eine ausreichende Stabili-
tät der Spannung vor Ort gewährleistet.
Daneben ergibt sich die Frage, ob der
40 vorhandene Netzanschluss erweiterbar
oder ob ein Neubau erforderlich ist. Diese
Frage mussten die Stadtwerke mit den
30 beteiligten Netzbetreibern beantworten.
Von der Kooperation profitieren beide
20 Unternehmen. Die Stadtwerke können
ihr Wärmeversorgungskonzept auf die
Zukunft ausrichten und erhalten die erfor-
10
derlichen Finanzmittel zum Bau und zur
Integration der PtH-Anlage. 50Hertz erhält
0 den Zugriff auf bis zu 40 MW flexible
Leistung (Summe aus KWK plus P2H),
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
4.000
4.500
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6.000
6.500
7.000
7.500
8.000
8.500
die das Abregeln von Windkraft vor Ort
reduziert. Auf diese Weise lassen sich bis
zu 65 GWh/Jahr mehr Windstrom aufneh-
stoffpreis und zu den Zertifikatpreisen titionskosten immer eine Einzelfallbe- men und über das Netz transportieren.
über einen Zeitraum von mehr als sechs trachtung. Diese Einzelfallbetrachtung
Jahren im Voraus zu treffen. führte auch in Rostock zu einem positi- Voraussetzung für das Gelingen einer
ven Ergebnis. Daher hat 50Hertz relativ solchen Kooperation ist, dass Rechte
Investitionen sind Einzelfall schnell grünes Licht gegeben, den Bau der und Pflichten der Vertragspartner genau
betrachtung PtH-Anlage zu Kosten von 20 Mio. Euro definiert sind. Sie bilden die Grundlage
Während sich die Einsparungen modell- zu finanzieren. für die Kommunikation und den Ein-
haft und einfach über Preisentwicklungen satz der Anlage. Generelle Fragen zum
bei Rohstoffen und CO2-Zertifikaten sowie Im Falle von Rostock spielte neben der Datenaustausch galt es nicht zu klären,
voraussichtliche Entwicklungen in der Einbindung in die Wärmeversorgung auch da das Kraftwerk wegen seiner Größe
Stromproduktion und beim Netzausbau die Einbindung in das vorhandene Strom- bereits heute am Datenaustausch für das
abschätzen lassen, ist eine sachgerechte netz eine entscheidende Rolle. Dabei war Engpassmanagement teilnimmt. Aller-
Einschätzung der erforderlichen Inves- zu klären, wie viel zusätzlichen Strombe- dings muss die zusätzliche Flexibilität aus
der PtH-Anlage in den Datenaustausch
integriert werden. Hierzu war zunächst zu
klären, wie die Energiebereitstellung für
03 Exemplarischer Jahresverlauf des Abrufs von Redispatch-Potenzial aus Rostock die PtH-Anlage in der Praxis erfolgt. Wie
stark sich allerdings die jüngste Novellie-
rung des Energiewirtschaftsrechts auf die
Maßnahmen EisMan Abrufpotenzial KWK+P2H künftige Zusammenarbeit auswirkt, wenn
alle KWK-Anlagen sowie die erneuerbaren
100 Energien an den Regelprozessen zum Eng-
passmanagement beteiligt werden, lässt
sich erst nach Abschluss aller prozessua-
80 len Arbeiten abschätzen.
60 PtH augenblicklich nur in
Netzausbaugebieten sinnvoll
PtH ist eine von mehreren Technologien,
40 die gegenwärtig auf ihre Tauglichkeit in
der künftigen Energieversorgungsland-
schaft geprüft werden. Derzeit ist diese
20 Technologie ohne Förderung oder andere
Kooperationsformen jedoch betriebswirt-
schaftlich nicht tragfähig. Grundsätzlich
0 sind wir im europäischen Stromverbund-
0
500
1.000
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2.000
2.500
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7.000
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8.000
8.500
netz noch weit entfernt von Situationen,
in denen ein Stromüberschuss dauer-
haft zu bilanziellen Ungleichgewichten
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Strom via Elektrolyse in Wasserstoff/
Biomethan mit anschließender
Verstromung in einer Gasturbine liegen
die Energieverluste bei 70 Prozent, bei
der Verstromung gespeicherter Wärme
bei 50 bis 60 Prozent.
Angesichts dieser technisch-wirtschaftli-
chen Zusammenhänge wird im
Zusammenhang mit hohem Windstrom-
aufkommen der Begriff „Überschuss-
strom“ häufig inflationär und undifferen-
Offshore-Windpark Wikinger mit 350 MW Leistung in der Ostsee nordöstlich der Insel Rügen ziert verwendet. In der Realität handelt
mit der 50Hertz-Konverter Plattform, auf der der Wechselstrom der Windräder in Gleichstrom es sich lediglich um regional und
umgewandelt wird. (Foto: Siegried Wagner/50Hertz) temporär begrenzte Überschussmengen,
für die man eine ökologisch und
volkswirtschaftlich sinnvolle Nutzung
führt. Fast alle Situationen mit negativen Patentrezept, um deren Bau anzureizen finden sollte, bis Netzengpässe
Preisen lassen sich aktuell noch durch sie betriebswirtschaftlich über den Markt weitgehend beseitigt sind. Bezogen auf
entsprechende Netzausbaumaßnahmen refinanzieren zu können. Grundsätzlich Gesamtdeutschland oder Europa bleibt
und eine Vergrößerung des Marktgebietes verursachen auch PtX-Anlagen aller Art Strom auch in Zukunft ein kostbares Gut,
beseitigen. Netzausbau, da die benötigte Leistung das in erster Linie elektrischen
zusätzlich zu den bereits vorhandenen Anwendungen vorbehalten bleiben
Eine Technologie zur Wärmeversorgung privaten, gewerblichen und industriellen sollte. Dazu gehören sicherlich künftig
muss im Wärmemarkt erfolgreich sein. Verbrauchern aus dem Netz entnommen auch die Elektromobilität und Wärme-
Bislang werden KWK-Anlagen im Strom- werden muss. Es gibt deshalb keinen pumpen im Bereich von wärmege-
markt subventioniert, um durch Sektor- Grund, solche Anlagen grundsätzlich dämmten Wohn- und Dienstleistungsge-
kopplung CO2-Einsparungen zu erzielen von Netzentgelten zu befreien. Auch eine bäuden. Eine generelle Umwandlung
und Primärenergieträger effizienter zu Befreiung von weiteren Umlagen (EEG, von Strom in Wärmeenergie als
nutzen. Eine Förderung von PtH muss KWK etc.) ist kontraproduktiv, da dadurch dauerhafte Sektorkopplung ist jedoch
also über den Wärmemarkt stattfinden, eine Privilegierung gegenüber anderen nicht zielführend. Das Potenzial für den
wenn diese Technologie tatsächlich lang- Stromanwendungen vorgenommen würde Ausbau erneuerbarer Energien zur
fristig die Wärmeversorgung gewährleisten und die Kosten über die übrigen Verbrau- Stromerzeugung ist zwar theoretisch
soll. Als Ergänzung zum Stromnetzausbau cher gewälzt werden müssten. sehr groß, es wird praktisch jedoch
kann sich der Einsatz an solchen Stand- durch zahlreiche Nutzungskonkurrenzen,
orten lohnen, die eine ausreichende und Beeinträchtigungen von Bürgern in
konstante Mindest-Wärmeversorgung Fazit ihrem Lebensalltag sowie Kostenfakto-
benötigen. Zusätzlich muss eine echte ren erheblich begrenzt.
Netzentlastung gegeben sein, ohne im PtH oder PtX hat ergänzend oder
Anschlussnetz oder im vorgelagerten Netz überbrückend kurz- und mittelfristig
neue Probleme zu verursachen. eine wichtige Funktion, um bis zum Jahr
2030 einen Anteil von 65 Prozent
Der Einsatz von PtH-Anlagen ist au- erneuerbarer Energien an der Stromer-
genblicklich vor allem in den Gebieten zeugung abzusichern. Inwieweit
sinnvoll, die im Netzausbaugebiet mit ho- PtX-Technologien zu einem betriebswirt-
hem Windaufkommen aus Offshore- und schaftlichen Erfolg führen, muss jenseits CLAUS HODUREK
Onshore-Windparks liegen. Dort müssen der Stromnetzthematik beantwortet
Jahrgang 1959
die Windkraftanlagen am häufigsten werden. Die derzeit laufenden
abgeregelt werden. Die Umwandlung von Reallabore, an denen sich auch 50Hertz
Strom in Wärmeenergie ist hier sowohl aus beteiligt, bieten hierfür die richtigen 1981–1985 Studium der Elektrotechnik an
Gründen der CO2-Bilanz als auch im Hin- Ansatzpunkte. Physikalisch und der Technischen Hochschule Leipzig
blick auf die Netzentlastung vernünftig. wirtschaftlich gibt es bestimmte Ingenieur für Operativdienst in der
Konstanten, die auf der Suche nach Staatlichen Hauptlastverteilung
Im übrigen Bundesgebiet ist eine generelle Geschäftsmodellen nicht außer Kraft
1991-2002 verschiedene technische
Förderung von PtH-Anlagen als wenig gesetzt werden können: jede Umwand-
Aufgaben im Netzbereich der VEAG
sinnvoll zu betrachten. Hier würde die lung von Strom in andere Energiefor-
men geht mit teilweise erheblichen ab 2002 Leiter EEG/KWK-G, danach
Nutzung von Windstrom für Wärme-
Wirkungsgradverlusten einher. Beim Energiebeschaffung bei 50Hertz (vorher
anwendungen zunächst mit einer noch
Netzausbau und der Übertragung von VE Transmission)
höheren Belastung der Netze einhergehen,
da diese Verbrauchsstellen dann hinter Strom über Höchstspannungsleitungen ab 2016 Senior Manager Energiewirt-
dem Engpass liegen. Eine generelle Befrei- liegen die Verluste zwischen zwei und schaft, Schwerpunkt Energieverträge und
ung von PtH- oder PtX-Anlagen von Um- fünf Prozent. Bei der Umwandlung von Integration Erneuerbare Energien
lagen und Netzentgelten ist deshalb kein claus.hodurek@50hertz.com
e|m|w Heft 02|2020 5energate gmbh
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