Energiezentrale des Quartiers Philosophenhöhe Gießen: Projekt FlexQuartier 2.0

Hochtemperaturspeicher als Flexibilitätsbaustein für Quartiere und Industrie

Hochtemperaturspeicher (HTS) ermöglichen die effiziente Speicherung von erneuerbarem Strom in Form von Wärme bis 1.200 °C und dessen flexible Nutzung für Strom- und Wärmeanwendungen. Im Projekt FlexQuartier 2.0 der Technischen Hochschule Mittelhessen (THM) wird ein innovativer HTS mit Rückverstromung als Bestandteil eines hybriden Quartiersspeichers erprobt und optimiert.

Warum Hochtemperaturspeicher jetzt entscheidend sind

Energiespeicher sind eine Schlüsseltechnologie der Energiewende, da sie die zeitliche Lücke zwischen der wetterabhängigen Erzeugung erneuerbarer Energien und dem kontinuierlichen Bedarf an Energie schließen. Hochtemperaturspeicher (HTS) wandeln überschüssigen erneuerbaren Strom in Wärme bei Temperaturen bis zu 1.200 °C um, speichern diese über Stunden bis Wochen und stellen sie bei Bedarf für Strom- oder Wärmeanwendungen zur Verfügung. Wird der Fokus bei der Entladung auf die Stromerzeugung gelegt, spricht man von einer Carnot-Batterie. Im Temperaturbereich über 600 °C setzen sich vor allem sensible Festkörper-Hochtemperaturspeicher gegenüber anderen thermischen Speicherarten durch.

Demonstrationsprojekt „FlexQuartier 2.0“ – Ein hybrider Quartiersspeicher im Praxistest

Das 2019 vom BMWK geförderte Forschungsprojekt FlexQuartier Gießen verfolgte unter wissenschaftlicher Leitung der THM das Ziel, ein ehemals militärisch genutztes Gelände in Gießen zu einem modernen, energieeffizienten Stadtquartier zu entwickeln. Alle Gebäude sind mit Aufdach-Photovoltaikanlagen (PV) ausgestattet und überwiegend an die Fernwärme der Stadtwerke Gießen (SWG) angeschlossen. An sonnigen Tagen erzeugen die PV-Anlagen bis zu 1.000 kW Strom, was einem Vielfachen des Strombedarfs des Quartiers entspricht. Energetisches Herzstück ist eine Energiezentrale der THM, die Strom- und Wärmespeicher kombiniert und durch intelligente Sektorenkopplung vernetzt. Zum Einsatz kommen ein 780 kWh Lithium-Ionen-Batteriespeicher, zwei 20 m³ Warmwasserspeicher, zwei Wärmepumpen sowie eine eigens entwickelte Hochtemperatur-Carnot-Batterie.

Während der Beladung der Carnot-Batterie werden im Hochtemperaturspeicher bis zu 600 kW Strom in Wärme gewandelt und in keramischen Festkörpern gespeichert. Bei Strom- und Wärmebedarf wird die sensible Wärme an einen Luftstrom übertragen, welcher eine Rückverstromungseinheit bis 900 °C betreibt. Die Rückverstromung der Carnot-Batterie basiert auf einer extern-beheizten Mikrogasturbine im elektrischen Leistungsbereich von 30 kW. Nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) kann bei der Entladung neben dem erzeugten Strom noch bis zu 120 kW nutzbare Wärme bereitgestellt werden.

Seit 2023 wird das Projekt unter dem Titel FlexQuartier 2.0 fortgeführt, um den Betrieb des Hybridspeichers im realen Quartierskontext systematisch zu erproben und zu optimieren. Viele Untersuchungen liefern die Grundlage für einen Digitalen Zwilling und begleiten die Entwicklung geeigneter Geschäfts-, Betriebs- und Rechtsmodelle. Ein mehrjähriges Monitoring analysiert Energieströme, Emissionen und Optimierungspotenziale, vergleicht das Konzept mit Alternativen und leitet Empfehlungen für zukünftige Quartiersprojekte ab.

Forschungsergebnisse zum Hochtemperaturspeicher

Seit der erfolgreichen Inbetriebnahme befindet sich die neuartige Hochtemperatur-Carnot-Batterie nun seit zwei Jahren in intensiver Erprobungsphase. Der HTS wurde bis 1.150 °C erfolgreich getestet und digital validiert. Er zeigt bei 900 °C eine geringe Selbstentladung von rund 3,7 % pro Tag sowie einen hohen Beladungswirkungsgrad von etwa 96 %. In einem 45-stündigen Rückverstromungsversuch lieferte er zugleich 769 kWh Strom und 2.055 kWh Wärme für das Fernwärmenetz.

Das Forschungsteam der THM arbeitet aktuell an weiteren Optimierungen und der Vorbereitung des automatisierten Betrieb, der für Mitte 2026 geplant ist. Bereits jetzt sind die erzielten Temperaturniveaus und Wirkungsgrade für eine Carnot-Batterie in dieser Größenordnung weltweit einmalig.

Industrielle Einsatzmöglichkeiten

Durch Skalierung des Demonstrators in den Industriemaßstab wird ein erhebliches Potenzial zur Steigerung der Effizienz und Senkung der spezifischen Systemkosten eröffnet. Größere Speicherkapazitäten und optimierte Auslegung ermöglichen höhere Teilwirkungsgrade und damit eine wirtschaftlich attraktive Lösung für industrielle Großverbraucher. Eine Beispielsimulation mit einem auf 140 MWh vergrößerten HTS zeigt: Die Carnot-Batterie konkurriert mit den Wirkungsgraden auf dem Niveau moderner Erdgas-BHKWs und übertrifft als Kurz- bis Mittelzeitspeicher die Effizienz aktueller Wasserstoff-Pilotprojekte.

Neben der Rückverstromung kann der HTS auch Prozesswärme auf Temperaturniveaus weit über 600 °C bereitstellen und so fossile Energiequellen in zahlreichen energieintensiven Branchen ersetzen. Einsatzfelder finden sich unter anderem in der Metall- und Glasverarbeitung, in der Keramik- und chemischen Industrie sowie in der Lebensmittelproduktion.

Von der Forschung in den Markt

Die aus der Technischen Hochschule Mittelhessen hervorgegangene Ausgründung Powerlith hat sich auf die Vermarktung von Hochtemperaturspeichern für die Bereitstellung industrieller Prozesswärme spezialisiert. Aufbauend auf den Erfahrungen aus dem erfolgreichen Betrieb des 10-MWh-Demonstrators entwickelt das Unternehmen maßgeschneiderte Systeme, die fossile Wärmeerzeuger in energieintensiven Branchen ersetzen.

Autoren: Dr. Felix Holy, Michel Textor und Prof. Dr. Stefan Lechner, Technische Hochschule Mittelhessen – Kompetenzzentrum für Energietechnik und Energiemanagement