Wärmespeicher: Flexibilität für das Wärmenetz

Die zunehmende Dekarbonisierung der Fernwärme führt zu einer steigenden Sektorkopplung zwischen dem Strom- und Wärmesektor. Dadurch steigt auch der Einfluss des volatilen Strompreises auf die Wärmegestehungskosten in der Fernwärme, wodurch die wirtschaftlichen Vorteile eines flexiblen Fernwärmebetriebs steigen. Diese Beitragsreihe beschäftigt sich deshalb mit den verschiedenen Flexibilitäten in der Fernwärme und ihren jeweiligen Einschränkungen. Des Weiteren werden die beschriebenen Flexibilitäten mit den realen Hemmnissen der Fernwärmebranche durch Interviews kritisch beleuchtet. Diese Beitragsreihe richtet sich an Stadtwerke und Fernwärmeversorger, die einen Überblick über die Flexibilitätspotenziale in der Fernwärme erlangen wollen sowie an all diejenigen, die sich für die Fernwärmeversorgung interessieren.

Wärmespeicher als Enabler der Nutzung von Energieflexibilität in der Fernwärme

Der Hauptnutzen von Wärmespeichern in der Fernwärme besteht in der zeitlichen Entkopplung von Wärmeerzeugung und Wärmebedarf. Durch diese Entkopplung ermöglichen Wärmespeicher eine deutlich verbesserte Nutzung von Energieflexibilitätspotenzialen in der Wärmeversorgung, wodurch die Wärmeerzeugung stärker an externe Einflussgrößen, wie beispielsweise Strompreise, angepasst werden kann. Darüber hinaus können Wärmespeicher Lastspitzen glätten, indem sie einen Teil der benötigten Wärmeleistung bereitstellen. Dadurch kann der Einsatz kostenintensiver Spitzenlastwärmeerzeuger reduziert oder vermieden werden. Beim Anschluss von Wärmespeichern hinter Netzengpässen können diese zudem zur Entlastung stark ausgelasteter Netzabschnitte beitragen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei der Integration von Abwärmequellen in Wärmenetze, da deren Einspeiseprofile häufig nicht mit dem Wärmebedarf des Netzes übereinstimmen. Durch den Einsatz von Wärmespeichern können Erzeugungs- und Bedarfsprofile zeitlich aufeinander abgestimmt werden.

Im Vergleich zu anderen Maßnahmen zur Nutzung von Flexibilitätspotenzialen zeichnen sich Wärmespeicher durch ihre hohe Speicherkapazität sowie ihren vergleichsweise einfachen Betrieb aus. Eine Anpassung der Wärmelast auf Verbraucherseite im Rahmen des Demand-Side-Managements ist demgegenüber deutlich komplexer und wirtschaftlich häufig nur für sehr große Verbraucher sinnvoll.

Die wirtschaftlichen Vorteile von Wärmespeichern ergeben sich bei einer zunehmend an den Strompreis gekoppelten Wärmeerzeugung hauptsächlich aufgrund der entstehenden Energieflexibilität. Dabei nehmen die wirtschaftlichen Vorteile mit zunehmender Homogenität des Erzeugerparks eines Wärmenetzes zu. In Netzen mit einer heterogenen Erzeugungsstruktur kann durch den bedarfsgerechten Einsatz stromproduzierender, stromverbrauchender und stromunabhängiger Wärmeerzeuger (siehe Artikel Flexibilitäten der Fernwärme: Beschreibung möglicher Flexibilitätspotenziale) bereits eine teilweise an den Strompreis angepasste Fahrweise realisiert werden. Dadurch reduziert sich der zusätzliche Nutzen, der aus der zeitlichen Entkopplung von Wärmeerzeugung und -bedarf durch einen Wärmespeicher entsteht, auf die Reduzierung der Wärmelast, wodurch Wärmeerzeuger mit zeitweise höheren Wärmegestehungskosten vermieden werden.

Mit Blick auf die zukünftige Entwicklung der Wärmeerzeugung ist davon auszugehen, dass Wärmespeicher langfristig weiter an Bedeutung gewinnen werden. Zwar werden stromproduzierende Erzeuger in einer Übergangsphase voraussichtlich weiterhin eine wichtige Rolle spielen, mittelfristig dürfte der Anteil stromverbrauchender Technologien jedoch zunehmen. Dadurch steigt auch der Bedarf an zusätzlicher Flexibilität, die durch Wärmespeicher bereitgestellt werden kann.

Technologieübersicht über Wärmespeicher

Wärmespeicher können anhand einer Vielzahl von Kriterien wie Funktionsprinzip, Speichermedium, Speicherdauer oder Druckniveau unterschieden werden. Im Folgenden wird eine Unterteilung anhand des Funktionsprinzips vorgenommen. Je Funktionsprinzip werden weitere Unterteilungen beschrieben. Beim Funktionsprinzip unterscheidet man bei Wärmespeichern zwischen sensiblen, latenten und thermochemischen Speichern. Einen Überblick über die Unterscheidung gibt Abbildung 2.

Sensible Wärmespeicher

In sensiblen Wärmespeichern wird Energie durch die Temperaturerhöhung eines Speichermediums gespeichert. Die speicherbare Energiemenge hängt dabei von der Temperaturdifferenz sowie der spezifischen Wärmekapazität des Speichermediums ab und steigt linear mit der Temperatur an. Im Vergleich zu anderen Speichertechnologien weisen sensible Wärmespeicher eine geringere volumetrische Energiedichte und eine hohe Selbstentladung auf. Aufgrund ihres ausgereiften Entwicklungsstands und der niedrigen Investition stellen sie jedoch mit einem Anteil von 88,9 % die am weitesten verbreitete Speichertechnologie dar. [2]

Als Speichermedium hat sich aufgrund der niedrigen Kosten, der hohen Verfügbarkeit, der einfachen Handhabung, der guten Umweltverträglichkeit und der mit 4,18 kJ/kg*K vergleichsweise hohen spezifischen Wärmekapazität Wasser durchgesetzt. Die häufigste Bauform ist der Behälterspeicher. Weitere Bauformen, die Wasser als Speichermedium nutzen, sind Erdbeckenspeicher und Kavernenspeicher sowie Aquiferspeicher, die das Grundwasser nutzen. Alternativ können der Erdboden in Erdsondenspeichern, Kies-Wasser-Gemische in Erdbeckenspeichern sowie verschiedene Feststoffe wie Beton als Speichermedium genutzt werden.

Latente Wärmespeicher

Latente Wärmespeicher speichern Wärme in der beim Phasenwechsel eines Speichermediums umgesetzten Energie. Dadurch können beim Übergang zwischen verschiedenen Aggregatzuständen große Energiemengen bei nahezu konstanter Temperatur gespeichert und abgegeben werden. Bei geringen Temperaturänderungen können dank der Nutzung der Phasenwechselenergie bereits vergleichsweise große Energiemengen gespeichert werden. In den meisten latenten Wärmespeichern wird hierfür der Phasenwechsel zwischen festem und flüssigem Zustand genutzt. Zusätzlich zur latenten Wärme kann häufig auch sensible Wärme unterhalb und oberhalb der Phasenwechseltemperatur gespeichert werden.

Gegenüber sensiblen Wärmespeichern zeichnen sich latente Wärmespeicher durch eine höhere Energiedichte sowie die Möglichkeit, Wärme während des Phasenwechsels bei annähernd konstanter Temperatur bereitzustellen, aus. Bei sensiblen Wärmespeichern ist dies nur bei einer ausgeprägten Temperaturschichtung möglich. Nachteilig sind die im Vergleich höheren Kosten sowie die bislang geringere Entwicklungs- und Marktreife vieler Technologien. Zudem muss der Anwendungsfall zur Temperatur des Phasenwechsels passen, damit das zusätzliche Speicherpotenzial genutzt werden kann. Als Speichermaterialien kommen unter anderem Wasser in Form von Eisspeichern, Salzhydrate, Paraffine und verschiedene Metalle zum Einsatz.

Thermochemische Wärmespeicher

In thermochemischen Speichern wird Wärme durch reversible endotherme und exotherme Prozesse gespeichert. Thermochemische Wärmespeicher lassen sich grundsätzlich in thermochemische Reaktionsspeicher sowie Adsorptions- und Absorptionsspeicher unterteilen. Bei Reaktionsspeichern wird die Wärme in chemischen Bindungen gespeichert und durch eine reversible chemische Reaktion ge- bzw. entladen. Beispiele hierfür sind Metallhydride sowie reversible Hydrationsreaktionen.

Bei der thermischen Speicherung durch Adsorption lagert sich Wasserdampf über intermolekulare Kräfte auf der Oberfläche poröser Feststoffe wie Silikagel oder Zeolithen an, wodurch Wärme freigesetzt wird. Durch die Zufuhr von Wärme wird der adsorbierte Stoff wieder desorbiert und der Speicher aufgeladen. Bei der Absorption wird ein Stoff (gasförmig oder flüssig) im Volumen eines Fest-/Flüssigmediums aufgenommen bzw. aufgelöst, wobei ebenfalls Wärme freigesetzt wird. Bei der Zuführung von Wärme wird die Aufnahme bzw. Lösung des Stoffes wieder rückgängig gemacht.

Aktueller Stand von Wärmespeichern in deutschen Fernwärmenetzen

Nach Angaben des AGFW, die auf Untersuchungen des Fraunhofer IFAM basieren, waren im Jahr 2023 in deutschen Fernwärmenetzen Wärmespeicher mit einer Gesamtkapazität von 35,2 GWh installiert. Dies entspricht einer Steigerung von 6,3 % gegenüber den 33,1 GWh im Vorjahr [1].

Abbildung 3 zeigt die Entwicklung der Speicherkapazität von Großwärmespeichern in den Jahren 2019–2023.

Die Angaben der im Jahr 2022 befragten AGFW-Mitgliedsunternehmen – veröffentlicht im AGFW-Hauptbericht 2023 – geben zudem Aufschluss über die eingesetzten Wärmespeichertechnologien (siehe Abbildung 4) [2]. Mit einer Gesamtkapazität von 32,4 GWh repräsentieren die Wärmespeicher der befragten Unternehmen rund 98 % der im Jahr 2022 installierten Wärmespeicherkapazität in deutschen Fernwärmenetzen.

Mit 19,7 GWh beziehungsweise 61 % entfällt der größte Anteil auf drucklose Speicher. Druckspeicher folgen mit einer Kapazität von 9,1 GWh beziehungsweise 28 %. Erdbeckenspeicher spielen mit einer Kapazität von lediglich 16 MWh beziehungsweise 0,05 % derzeit nur eine untergeordnete Rolle. Die verbleibende Speicherkapazität entfällt auf sonstige, nicht näher spezifizierte Speichertechnologien.

Aus der Gegenüberstellung von Speicherkapazität und Speichervolumen ergibt sich für Druckspeicher eine durchschnittliche spezifische Speicherkapazität von 123 kWh/m³, während drucklose Speicher durchschnittlich 59 kWh/m³ erreichen. 2-Zonenspeicher, bei denen das wärmespeichernde Wasser durch eine zweite, mit Wasser gefüllte Zone mit einem geringen Überdruck beaufschlagt wird, wurden bei der Auswertung den Druckspeichern zugeordnet. Bei allen betrachteten Wärmespeichern wurde Wasser als Speichermedium eingesetzt [2].

Ausblick

Basierend auf Langfristszenarien von Fraunhofer ISI und Consentec ist von einem erheblichen Ausbau der Wärmespeicherkapazität in der Fernwärme auszugehen. Für 2030 wird je nach Szenario eine Wärmespeicherkapazität von 624 GWh (T45-Strom) bis zu 766 GWh (T45-PtG/PtL) prognostiziert, für 2045 von 625 GWh (T45-PtG/PtL) bis zu 871 GWh (T45-H2). Bis 2030 entspricht dies einer Zunahme der Speicherkapazität um den Faktor 17,7 bis 21,7. Während im T45-PtG/PtL-Szenario von 2030 bis 2045 ein leichter Rückgang der Speicherkapazität erwartet wird, steigt sie in den beiden anderen Szenarien an [3].

Vertiefung: Sensible Wärmespeicher

Sensible Speicher stellen die mit Abstand häufigste Technologieform zur Wärmespeicherung dar. In Fernwärmenetzen sind sie zudem die einzige nennenswerte Speichertechnologie. Die Dominanz sensibler Wärmespeicher liegt vor allem in ihrem hohen Reifegrad und ihrem vergleichsweise einfachen Aufbau begründet. Mit Wasser als Wärmeträgermedium nutzen sie meist ein günstiges und umweltverträgliches Medium, das ohne zusätzlichen Wärmeübertrager direkt im Wärmenetz eingesetzt werden kann. In den folgenden Abschnitten werden die verschiedenen Bauformen sensibler Wärmespeicher näher beschrieben.

Behälterspeicher (TTES: Tank thermal energy storage)

In Behälterspeichern wird Wärme durch die Temperaturerhöhung von Wasser in meist zylindrischen Stahlbehältern gespeichert. Dabei wird die Speicherkapazität über die Temperaturdifferenz des Speichers im beladenen und entladenen Zustand bestimmt. Je größer die Temperaturdifferenz, desto mehr Wärme kann im Speicher gespeichert werden. In Fernwärmenetzen wird die Speicherkapazität des Wärmespeichers meist durch die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf vorgegeben. Da Wasser jedoch bei atmosphärischem Druck bereits bei 100 °C den Siedepunkt erreicht, ist die maximale volumetrische Speicherkapazität, also die Wärmemenge, die je Volumeneinheit gespeichert werden kann, bei einem drucklosen, auch atmosphärisch genannten Speicher begrenzt. Für höhere Temperaturen muss der Siedepunkt durch Überdruck zu höheren Siedetemperaturen verschoben werden.

Entsprechend lassen sich die Behälterspeicher anhand des Drucks in drucklose Speicher, 2-Zonen-Speicher und Druckspeicher unterteilen. Die drucklosen Speicher arbeiten ohne Überdruck und sind dadurch vergleichsweise einfach aufgebaut und kostengünstig. Sie eignen sich vor allem für Fernwärmenetze mit Vorlauftemperaturen unter 100 °C. Der Überdruck in Druckspeichern erlaubt hingegen den Betrieb in Fernwärmenetzen mit Vorlauftemperaturen von bis zu 160 °C. Dies erhöht die spezifische Speicherkapazität, aber zugleich auch die Anforderungen an Bau, Betrieb und Sicherheit sowie die Kosten. 2-Zonen-Speicher sind eine Zwischenform zwischen drucklosen Speichern und Druckspeichern. Das wärmespeichernde Wasser wird über eine zweite, mit Wasser gefüllte Zone mit einem geringen Überdruck beaufschlagt. Dadurch sind Speichertemperaturen bis etwa 120 °C möglich, ohne dass die Konstruktion des Speichers so aufwendig ausfällt wie bei einem Druckspeicher.

Der größte Vorteil von Behälterspeichern liegt in ihrer hohen technischen Reife, die sich auch in der Vielzahl umgesetzter Projekte in deutschen Fernwärmenetzen zeigt. Zudem sind sie gut regelbar und vergleichsweise einfach in Wärmenetze integrierbar. Aufgrund ihrer Größe und Regelbarkeit eignen sie sich insbesondere zum Ausgleich kurz- bis mittelfristiger Schwankungen zwischen Wärmeerzeugung und -bedarf, mit Speicherdauern von mehreren Tagen bis zu einigen Wochen. Nachteile ergeben sich vor allem aus der oberirdischen Bauweise und dem damit verbundenen Platzbedarf, der die Errichtung in dicht bebauten Stadtgebieten erschweren kann. Für die saisonale Speicherung sind Behälterspeicher daher aufgrund ihres Platzbedarfs und ihrer begrenzten Größe meist weniger geeignet als großvolumige Speicherformen wie Erdbecken-, Aquifer- oder Kavernenspeicher, da ihre Speicherkapazität entsprechend limitiert ist.

Erdbeckenspeicher (PTES: Pit Thermal Energy Storage)

Erdbeckenspeicher sind große, künstlich ausgehobene Becken, die mit Folien gegenüber dem Erdreich abgedichtet und mit Wasser oder einem Wasser-Kies-Gemisch befüllt werden. Zusätzliche Folien an der Oberfläche schützen den Speicher vor Umwelteinflüssen. Aufgrund ihrer einfachen Bauweise weisen sie vergleichsweise geringe spezifische Kosten bei großen Speichervolumina auf und sind deshalb besonders für große Speichervolumina und dadurch für die saisonale Speicherung geeignet[JZ1] . Da vor allem Solarthermie eine große Saisonalität aufweist, werden Erdbeckenspeicher oft in Fernwärmenetzen mit hohem Solarthermieanteil eingebunden, aber auch in Kombination mit Großwärmepumpen zeigen sie ein großes Potenzial. Großwärmepumpen können zudem dazu genutzt werden, den Speicher auf Temperaturen unter der Rücklauftemperatur des Wärmenetzes abzukühlen, wodurch die Speicherkapazität des Speichers erhöht werden kann. Die maximale Speichertemperatur liegt, wie bei drucklosen Speichern, bei knapp unter 100 °C.

Nachteilig ist der vergleichsweise große Flächenbedarf, der teilweise durch tiefere Erdbecken oder eine doppelte Nutzung der Speicherfläche reduziert werden kann. Dabei steigen bei tieferen Erdbecken neben den Investitionen auch die Komplexität beim Bau. Aktuelle Forschungsprojekte beschäftigen sich mit der doppelten Nutzung der Speicherfläche, indem Parks, Seen oder Parkplätze auf dem Erdbecken errichtet werden. Eine weitere Herausforderung ist die Auswirkung auf das umgebende Grundwasser, das durch den Wärmespeicher nicht zu stark aufgeheizt werden darf. Die Umsetzung ist deshalb genehmigungs- und standortabhängig. Daneben gestalten sich die Abdichtung zur Umgebung und die Dämmung zum Teil schwierig.

In der AGFW-Auswertung spielen Erdbeckenspeicher mit einem erfassten Volumen von 655 m³ im Jahr 2022 bislang nur eine untergeordnete Rolle in Deutschland [2]. Demgegenüber wird die Technologie in Dänemark bereits seit vielen Jahren erfolgreich genutzt und Dänemark zählt deswegen in diesem Bereich als Vorreiter. In Deutschland werden Erdbeckenspeicher zurzeit intensiv in Forschungsprojekten wie z. B. dem Forschungsprojekt TREASURE untersucht.

Aquiferspeicher (ATES: Aquifer Thermal Energy Storage)

In Aquiferspeichern wird Wärme in wasserführenden geologischen Schichten eingespeichert. Um den Speicher aufzuladen, wird über Brunnen kaltes Wasser entnommen und warmes Wasser eingeleitet. Bei der Entladung läuft der Prozess in die entgegengesetzte Richtung. Die geologischen Schichten sollten möglichst geringe Grundwasserfließgeschwindigkeiten aufweisen, damit die eingespeicherte Wärme nicht abtransportiert wird. Zudem sind weitere Anforderungen an die Geologie eine ausreichende Durchlässigkeit und Mächtigkeit der wasserführenden Schicht, damit ein ausreichendes Volumen für die Speicherung zur Verfügung steht. Die Mächtigkeit beschreibt dabei die vertikale Ausdehnung der wasserführenden Schicht. Darüber hinaus ist eine geeignete geochemische Zusammensetzung des Untergrunds erforderlich, um temperaturbedingte Ausfällungen, d. h. die Bildung mineralischer Ablagerungen, zu vermeiden. Durch die Nutzung bereits vorhandener Volumina können große Energiemengen gespeichert werden, sodass sich Aquiferspeicher gut für eine saisonale Speicherung eignen. Gegenüber Behälter- oder Erdbeckenspeichern benötigen sie nur eine geringe oberirdische Fläche, sind jedoch aufgrund der Nutzung geologischer Schichten stark standortabhängig. Die Nutzung der geologischen Schichten bringt auch hohe Anforderungen an die Genehmigung und das Monitoring mit sich; zudem bestehen mögliche Zielkonflikte mit dem Grundwasserschutz.

Kavernenspeicher (CTES: Cavern Thermal Energy Storage)

Kavernenspeicher speichern Wasser als Wärmeträgermedium in künstlich geschaffenen oder bestehenden unterirdischen Hohlräumen. Sie bieten ebenfalls das Potenzial, sehr große Speicherleistungen und -kapazitäten bei geringem oberirdischem Flächenbedarf zu ermöglichen. Ähnlich wie Aquiferspeicher sind auch Kavernenspeicher auf geeignete geologische Standorte beschränkt. Die geologischen Anforderungen unterscheiden sich jedoch, da kein natürlich wasserführender Aquifer genutzt werden muss. Wenn nicht auf bestehende Hohlräume, wie z. B. alte Stollen, zurückgegriffen werden kann, ziehen Kavernenspeicher eine aufwendige und damit auch kostenintensive Erschließung nach sich. Die hohen Erschließungskosten können zwar über eine lange Lebensdauer von über 100 Jahren verteilt werden, gleichzeitig erschwert ein derart langer Betrachtungszeitraum jedoch die Investitionsplanung. Als Beispiel eines Kavernenspeichers, der zurzeit errichtet wird, kann das Projekt Varanto von Vantaa Energy genannt werden. Unterhalb der finnischen Stadt Vantaa wird der Speicher nach Inbetriebnahme ein Volumen von ca. 1 Mio. m3 aufweisen und Wasser unter Überdruck mit einer Temperatur von bis zu 140 °C speichern. Dies reicht für eine Speicherkapazität von 90 GWh. Das Projekt ist Teil des Forschungsprojektes Interstores. (Varanto – VECTES – INTERSTORES)

Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich Behälterspeicher vor allem für kurzfristige bis mittelfristige Flexibilität in Wärmenetzen eignen, während Erdbeckenspeicher aufgrund ihrer großen Volumina besonders für saisonale Anwendungen relevant sind. Aquifer- und Kavernenspeicher bieten ebenfalls große Speicherpotenziale bei geringem oberirdischem Flächenbedarf, sind jedoch deutlich stärker von geeigneten geologischen Bedingungen und Genehmigungsfragen abhängig. Zudem sind sie technologisch noch nicht so weit ausgereift. Welche Speichertechnologie geeignet ist, hängt daher insbesondere von Speicherdauer, Temperaturniveau, Flächenverfügbarkeit, Geologie und den Anforderungen des jeweiligen Wärmenetzes ab.

Weitere Informationen

• WARAN – Wärme anbinden und netzdienlich nutzen
• Einheitliche Digitalisierung im Strom- und Wärmesektor – Use Cases aus dem Projekt WARAN
• Flexibilitäten der Fernwärme: Beschreibung möglicher Flexibilitätspotenziale

Literatur

[1] AGFW – Der Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e. V., „AGFW‑Hauptbericht 2024.“ Frankfurt am Main. Zugegriffen: 17. April 2026. [Online]. Verfügbar unter: https://www.agfw.de/zahlen-und-statistiken/agfw-hauptbericht/

[2] Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e. V. (AGFW), „AGFW Hauptbericht 2023“. 2023. Zugegriffen: 10. März 2026. [Online]. Verfügbar unter: https://www.agfw.de/zahlen-und-statistiken/agfw-hauptbericht/

[3] Fraunhofer ISI & Consentec, „Langfristszenarien für die Transformation des Energiesystems in Deutschland“, 2022, [Online]. Verfügbar unter: https://www.langfristszenarien.de/enertile-explorer-de/dokumente