Verknüpfung mit Energieversorgung der Stadtwerke
Hybridspeicher versorgt Quartier mit Wärme und Strom

Das Fernwärmenetz auf dem ehemaligen Militärgelände in Gießen ist gelegt, die Energiezentrale einsatzbereit und die ersten Wohngebäude sind bereits bezogen. Hier entsteht seit 2020 ein energieeffizientes Neubaugebiet, das einen innovativen Kern hat: Ein Hybridspeicher, der sowohl Wärme als auch Strom speichert. Über 400 Wohneinheiten sowie ein Gewerbepark mit fünf bis sechs Gewerbeeinheiten auf einer etwa zehn Fußballfelder großen Fläche (7,5 Hektar) profitieren davon: Energieressourcen können flexibel genutzt, der Eigenbedarf vermehrt lokal gedeckt sowie Netzkosten etwa für Netzausbau oder optimierte Netzbetriebsführung reduziert werden. Wichtige Voraussetzung hierfür ist eine intelligente, digitale Steuerung des Energiesystems im Quartier.

Wie Strom und Wärmeströme voneinander profitieren

Den Strom- und Wärmesektor vor Ort intelligent miteinander zu verknüpfen, ist Aufgabe von Projektleiter Professor Stefan Lechner (Technische Hochschule Mittelhessen) und seinem Team. Im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Forschungsvorhaben FlexQuartier Gießen haben die Projektpartner ein energieeffizientes netzdienliches Quartier erschaffen. Neben der Technischen Hochschule Mittelhessen sind hieran die Stadtwerke Gießen, die Unternehmen Mittelhessen Netz und Smart Power sowie das Stadtplanungsamt Gießen beteiligt.

Bei der Stromversorgung des Quartiers setzen die Partner vor allem auf erneuerbare Energie aus Photovoltaik-Anlagen. Durch Mitwirkung der Stadt Gießen konnte sichergestellt werden, dass auf mindestens 50 Prozent der Dachflächen PV-Anlagen installiert werden. Dies entspricht einer Peakleistung von über 1000 Kilowatt. So kann etwa Strom, der von den Photovoltaik-Anlagen im Gießener Quartier erzeugt und nicht für den Eigenbedarf benötigt wird, im neuen Speicher zwischengespeichert und für das Laden von Elektrofahrzeugen aber auch für die Wärmeversorgung des Quartiers eingesetzt werden. Eine wichtige Säule sind hier elektrisch angetriebene Wärmepumpen. Über diese wird die Abwärme der Energiezentrale sowie die Umgebungswärme für die Bewohnerinnen und Bewohner nutzbar gemacht.

Energieaustausch über die Quartiersgrenzen hinaus

„Im Sommerhalbjahr kann die im Quartier lokal erzeugte Energie in Kombination mit dem neuen Speichersystem einen wesentlichen Teil des Energiebedarfs decken“, erklärt Projektmitarbeiter Felix Holy von der Technischen Hochschule Mittelhessen. Vor allem für die kälteren Monate ist es relevant, dass die Stadtwerke Gießen über ihr Fernwärmenetz erforderliche Wärmeenergie zuliefern. Diese basiert auf erneuerbaren Energiequellen sowie Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen.

Hierbei wird der einzuspeichernde Strom zunächst in sensible Wärme mit einem Temperaturniveau bis 1200° Celsius umgewandelt. Keramische Formsteine, die sich in einem isolierten thermischen Speicher befinden, speichern die Wärmenergie. Bei Bedarf wird diese mittels einer modifizierten Mikrogasturbine rückverstromt. Dazu wird bei der Entladung ein Luftstrom im thermischen Speicher erwärmt und in einen zweistufigen Rekuperator geleitet, welcher die Wärme auf einen verdichteten Frischluftstrom überträgt. Dieser wird wiederum von der Heißluftturbine entspannt und zur direkten Wärmerückgewinnung wieder in den Hochtemperaturspeicher geleitet.

Hier gelangen Sie zum virtuellen 3D-Rundgang durch den Hochtemperaturspeicher des Vorgängerprojektes "High-T-Stor". Der neue Speicher im FlexQuartier wird hinsichtlich modularem Aufbau, Speicherkapazität, Be-  und Entladeleistung sowie Wärmeverlusten optimiert. 

Nutzung der Abwärme sorgt für hohen Gesamtwirkungsgrad

Um den Gesamtwirkungsgrad der Anlage zu steigern, wird nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung zusätzliche Nutzwärme während der Rückverstromung ausgekoppelt. Diese kann in den Warmwasserspeicher oder bedarfsgerecht direkt in das Fernwärmenetz eingespeist werden. „Der extern beheizte Gasturbinenprozess ermöglicht eine effiziente Rückverstromung des Speichersystems und erlaubt einen drucklosen Betrieb des thermischen Speichers. Dadurch ist ein einfacher Aufbau mit geringen Installationskosten und verringerten Prüfungsaufwand möglich“, erläutert Holy.

Die in Gießen installierte Demonstrationsanlage konnte bereits die zuvor auslegte Speicherkapazität von etwa 9.900 Kilowattstunden experimentell nachweisen. Großanlagen mit deutlich höherer Kapazität von über 100 Megawattstunden sind möglich. Diese Energiemenge könnte während der Speicherentladung über 5.000 Haushalten einen Tag lang mit Strom und Wärme versorgen.

Der Projektleiter Lechner sieht das Hochtemperatur-Speichersystem zukünftig als einen wichtigen Baustein für eine energieeffiziente Stadt. „Durch die unkomplizierte Einspeicherung erneuerbarer Energien in Zeiten hoher Produktion und eine zeitversetzte Rückgewinnung von Strom und Wärme können ganze städtische Quartiere versorgt werden. Das System liefert Energie für Haushalte, Gewerbe und auch Elektrofahrzeuge.“ Im Vergleich zu anderen Technologien sei die Kapazität der Hochtemperaturspeicher zudem kostengünstig skalierbar. (bs)