Relevante Energieformen
Endenergieform | Nutzenergieform | Nebenenergieform |
Elektrischer Strom | Wärme (T<100°C), Wärme (T>100°C) | Wärme |
Kurzbeschreibung
Als Elektrokessel werden prinzipiell elektrisch betriebene Warmwasser- oder Dampferzeuger mit einem gewissen integrierten Speichervolumen bezeichnet. Meist sind mit dem Begriff „Power-to-Heat“ diese Anlagen gemeint, obwohl auch Wärmepumpen mit elektrischen Strom Wärme erzeugen. Die beiden wichtigsten Bauformen sind der Elektrodenkessel und Kessel mit integrierten elektrischen Heizelementen (z.B. Heizstäbe).
Elektrodenkessel
Beim Elektrodenkessel wird das Wasser direkt von Strom durchflossen und dadurch aufgeheizt bzw. verdampft. Hierfür befinden sich zwei Elektroden im Wasser, die verschiedene elektrische Potenziale aufweisen (parat.no 2018), (Züblin, Carl)
Widerstandsheizung
Im Gegensatz zum Elektrodenkessel wird bei einem Kessel mit Widerstandsheizung das Wasser nicht direkt von Strom durchflossen. Der Strom fließt stattdessen durch ein Heizelement aus Metall, das sich im Wasser befindet, heiß wird und so das Wasser erwärmt.
Funktionsskizze
Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte
Bei der Umwandlung von Strom in Wärme beträgt der Umwandlungswirkungsgrad 100 %.
Betriebs-Charakteristika
Bauart | Elektrodenkessel | Widerstandsheizung |
Typische Anfahrzeiten | Schnelle Anfahrzeiten: Beispiel der PARAT GmbH: Kaltstart bis Volllast in 5 Minuten, Minimallast bis Volllast in 30 Sekunden (parat.no 2018) | Elektrische Widerstandsheizungen benötigen nur wenige Sekunden, bis sie nach dem Einschalten Wärme produzieren. |
Mindestlaufzeiten | Elektrokessel haben i.d.R. geringe Mindestlaufzeiten | |
Regelbarkeit | Elektrokessel können prinzipiell stufenlos geregelt werden. Je nach elektrischen Anschluss können aber auch nur diskrete Leistungsstufen einstellbar sein. |
Energetische Kennwerte
Bauart | Elektrodenkessel | Widerstandsheizung |
Verfügbare Leistungsstufen/
-klassen |
Bis zu 90 MW (ihk-lahndill.de 2014), (parat.no 2018) | Elektrische Heizelemente sind in allen Leistungsklassen (wenige Watt bis MW) verfügbar und können durch die Kombination mehrere Elemente beliebig hoch skaliert werden. |
Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Auslastung | Der Wirkungsgrad ist unabhängig von der Auslastung bei 100% |
Wirtschaftliche Kennwerte
Bauart | Elektrodenkessel | Widerstandsheizung |
Nutzenergiekosten / kWh | Abhängig vom Strompreis | |
Investkosten/kW | 125-350 €/kW (agora-energiewende.de 2014) | |
Typische Lebensdauer | > 50 Jahre möglich (vapec.ch) |
Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse
Technologieattratktivität | Industrielle Umsetzbarkeit | Umsetzbarkeit | Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein) | |
Komplexität | Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich) | |||
Anwendbarkeit bei Industriepartnern | Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein) | |||
Einsatzhäufigkeit und Verbreitung | Energetischer Impact | Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger)) | ||
Verbreitung in Deutschland | Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig) | |||
Umrüstaufwand und Integration | Technology Readiness Level | Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3) | ||
Grad der Prozessentkopplung | Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess) | |||
Möglichkeit des Energieträgerwechsels | Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein) | |||
Umrüstaufwand | Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch) | |||
Ressourcenstärke | Übertragbarkeit | Übertragbarkeit | Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch) | |
Wirtschaftlichkeit | Erschließungskosten der Maßnahme | Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden) | ||
Spezifische Wandlerkosten | Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch) | |||
Abrufkosten der Maßnahme | Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher) | sehr stark fallabhängig |
Best Available Technology
Ja – Mit Elektrokesseln kann prinzipiell Energieflexibilität bereitgestellt werden. Insbesondere die Nachrüstung von elektrischen Heizelementen in mit fossilen Energieträgern beheizten Kesseln kann große Potenziale bieten.
Entwicklungstendenz
Die Technologie ist ausgereift.
Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile
Vorteile
- Hohe Wirkungsgrade bei der Wandlung von Strom in Wärme oder Dampf
- Hohe Flexibilität bzgl. der Regelung (Schnelle Anfahrzeiten, stufenlose Regelung möglich)
- Einfache und altbewährte Technik
- Viele verschiedene Leistungsstufen verfügbar
Nachteile
- Aufgrund der derzeitigen Strompreissituation hohe Betriebskosten im Vergleich zu fossilen Energieträgern
- Je nach spezifischen Emissionen des Netzstromes werden pro kWh erzeugter Wärme mehr Treibhausgase emittiert als bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern vor Ort. Dies ändert sich jedoch mit steigendem Anteil erneuerbarer Energien im Netz
Anwendungsbeispiele
- Viele Stadtwerke nutzen große Elektrokessel zur Bereitstellung von negativer Regelenergie in Verbindung mit ihren Fernwärmenetzen. Einige Beispiele sind die Stadt Bielefeld und Neumünster (Je 20 MW) (udo-leuschner.de 2011)
- und Nürnberg (2x 25 MW) (parat.no 2018)
- Beispiele aus der Industrie: Coca Cola Norwegen (5 MW, Heißwasser 125°C), Currenta Chemie Park Leverkusen (7 MW Dampf 350°C) (parat.no 2018)
Literaturverzeichnis
- agora-energiewende.de (2014): Agora Power-to-Heat, zuletzt geprüft am 01.08.2019
- ffegmbh.de (2014): Power to Heat, zuletzt geprüft am 01.08.2019
- heatsystems.de: Leistungsbereit. Leistungsstark. Leistungsorientiert, zuletzt geprüft am 01.08.2019
- IHK-Hessen(2014): Ratgeber Wärme in Hessen, zuletzt geprüft am 01.08.2019
- Oesterwind, Dieter; Riegebauer, Philipp (2014): Neue Geschäftsmodelle für den Einsatz von Power to Heat, ZIS Düsseldorf, zuletzt geprüft am 01.08.2019
- ohmex.de: OhmEx Portfolio, zuletzt geprüft am 01.08.2019
- Parat (2018): Hochspannungs Elektrodenkessel, zuletzt geprüft am 01.08.2019
- udo-leuschner.de (2011): Elektro(den)kessel weiter auf dem Vormarsch, zuletzt geprüft am 01.08.2019
- vapec.ch: Hochspannungs-Elektrodenkessel, zuletzt geprüft am 01.08.2019
- Züblin, Carl: Die elektrischen Kessel der Firma Gebrüder Sulzer A. G. Winterthur, zuletzt geprüft am 01.08.2019