Großer Forschungsbedarf zu Wärme- und Kältenetzen sowie zu Wärme- und Kältespeichern

Netze und Speicher für Wärme und Kälte sind wesentliche Elemente, um künftig eine vollständig erneuerbare und grundlastfähige Wärme- und Kälteversorgung zu erreichen. Die leitungsgebundene Wärme- und Kälteversorgung ermöglicht eine effiziente Nutzung multipler Energiequellen und bietet das Potenzial, eine klimafreundliche Versorgung wirtschaftlich umzusetzen. In der Kombination mit Speichersystemen ist sie insbesondere in urbanen Räumen eine wesentliche Säule für die Defossilisierung, die Sektorenkopplung und die Flexibilisierung des Wärmesektors.

Förderfähige Forschungsinhalte zu Wärme- und Kältenetzen

Im Fokus der Förderung stehen dabei sowohl bestehende Fernwärmenetze und deren Transformation als auch innovative Netztypen auf niedrigen Temperaturniveaus bis hin zu kalter Nahwärme und bidirektionaler Wärme-/Kältenetznutzung. Notwendige Forschungsarbeiten umfassen Aspekte der Komponentenentwicklung, Betriebsführung, Digitalisierung, Identifikation geeigneter Wärmequellen und -senken sowie Einbindung in Vorgänge zur kommunalen Wärmeplanung.

Wärme- und Kältenetze müssen auf neue Temperaturniveaus eingestellt werden und auf volatile Einspeisung durch multiple Quellen vorbereitet werden. Dies erfordert digitale Methoden zur Planung und Betriebsoptimierung, dynamische und prädiktive Betriebssteuerung beziehungsweise Einsatzplanung, Integration von Großwärmepumpen und Speichern, Lastmanagement sowie die systemische Kopplung von Wärme-, Kälte- und Stromversorgung.

Bei der Leitungstechnik sind Sanierung und Instandhaltung von Bestandsnetzen an neue Temperatur- und Strömungsanforderungen anzupassen. Auch Fragen zur Resilienz, Backup-Systemen und Aspekte der Versorgungssicherheit sind zu adressieren.

Die Versorgung mit Prozesswärme und -kälte im industriellen Umfeld trifft auf zusätzliche Herausforderungen, die nicht allein in der Höhe von Temperaturen und Leistungen begründet liegen. Die industriellen Thermoprozesse benötigen für die Prozesssicherheit eine zuverlässige Wärme- und Kältebereitstellung. Die Prozesse stellen aber auch unvermeidbare Abwärme beziehungsweise Restkälte zur Verfügung. Die Forschung soll Methoden entwickeln, um die industriellen Wärme- und Kältenetze sowie die Anbindung der komplexen Systeme an Nah- und Fernwärme unter Einbindung von Wärme-/Kältespeichern und -pumpen so flexibel und resilient auszulegen und zu betreiben, dass die Anforderungen der Unternehmen sichergestellt und der Betrieb für die Netzbetreiber optimiert werden.

Die Entwicklung und Demonstration klimaneutraler Wärme- und Kältenetze sollen sowohl für das urbane als auch das industrielle Umfeld erfolgen. Dabei sollen Blaupausen für typische Konstellationen von Wärmequellen und -abnehmern sowie Netztypen entwickelt werden, um Methoden für Best-Practice-Ansätze, bis hin zur Modularisierung, Standardisierung und Qualitätssicherung der Netzplanung, -errichtung und -transformation zu erarbeiten

Relevante Forschungsthemen zu Wärme- und Kältespeichern

Wärme- und Kältespeicher tragen durch zeitlich flexiblen Ausgleich von Energieangebot und -nachfrage sowie Verknüpfung verschiedener Energiequellen und Sektoren zu einer robusten und resilienten Energieversorgung bei. Sie werden eine entscheidende Rolle insbesondere bei der Kopplung des Stromsektors mit dem Wärmesektor sowie bei der Nutzung unvermeidbarer Abwärme spielen.

Die Forschung im Bereich der Wärme- und Kältespeicher umfasst Themen von der Materialentwicklung über die Speicherkomponenten bis zur Systemintegration, Betriebsführung und Wirtschaftlichkeit. Einbezogen sind alle Speicherarten, das heißt sensible, Latentwärme- und thermochemische Speicher sowie Kurz-, Mittel- und Langzeitspeicher mit Speicherdauern von Viertelstunden bis hin zu mehreren Monaten (saisonale thermische Speicher, einschließlich großer geothermischer Speichersysteme). Ebenso werden alle Temperaturbereiche von Kältespeichern über Niedertemperatur- bis hin zu Hochtemperaturspeichern adressiert.

Die Materialforschung umfasst sowohl die Speichermedien als auch Materialien für die Speicher und ihre Komponenten, beispielsweise auch effiziente Wärmeübertrager und Dämmung. Besonderes Augenmerk liegt auf Verfügbarkeit, Kosten, Stabilität, Umweltverträglichkeit und Recycling der Materialien.

Die Komponentenentwicklung konzentriert sich auf die Verbesserung der thermischen Performance, flexible Be- und Entladung, Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit, aber auch auf Lebenszyklusanalyse (LCA) und Kostenreduktion. Die Fertigungsprozesse müssen optimiert werden, durch Automatisierung und Modularisierung der Produktion von massentauglichen Speichern, und die Systeme skaliert werden.

Für die Systemintegration thermischer Energiespeicher ist die optimale An- und Einbindung zu untersuchen. Neue Speicherkonzepte, wie zum Beispiel Hochtemperaturspeicher für den industriellen Einsatz, Power-to-Heat-to-Power-Lösungen oder hybride Speichersysteme für die Bereitstellung von Wärme und Strom sollen entwickelt und zur Anwendung gebracht werden. Zur Betriebsoptimierung von Speicher und Gesamtsystem und für das Lastmanagement innovativer Speicherkonzepte in Gebäuden, industriellen Prozessen oder Wärme- und Kältenetzen sollen auch neue Methoden, wie der Einsatz selbstlernender Systeme, untersucht werden.

Zur Unterstützung der Überführung der Ergebnisse in die Praxis sind anwendungsnahe und fertigungsgerechte Auslegungstools, standardisierte Schnittstellen und Auslegungsmethoden sowie Tools zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit thermischer Speicher zu entwickeln.