Im Hamburger Energiepark Tiefstack ist ein großer Wärmespeicher geplant: ein 51 Meter hoher Stahlbehälter mit 35 Metern Außendurchmesser. Der drucklos betriebene Tank soll rund 43.000 Kubikmeter Wasser aufnehmen – das entspricht etwa 43 Millionen Litern.

Bis zu 98 Grad heiß kann das Wasser werden. Vereinfacht gesagt funktioniert der Behälter wie eine riesige Thermoskanne. Entsteht im Energiepark mehr Wärme, als gerade gebraucht wird, landet sie zunächst als heißes Wasser im Speicher. Steigt der Bedarf später wieder, etwa an einem kalten Morgen, wird die Wärme zeitversetzt ins Fernwärmenetz abgegeben.

Mehr als 27.000 Wohneinheiten an einem Wintertag

Nach Angaben von Porr könnte der Speicher rechnerisch an einem kalten Wintertag mehr als 27.000 Wohneinheiten mit Wärme versorgen. Zum Vergleich: Der Druckwärmespeicher der Hamburger Energiewerke auf der Peute fasst vier Millionen Liter Abwärme von Aurubis. Der neue Speicher in Tiefstack wäre damit mehr als zehnmal so groß.

Mit einem anderen Speicherprojekt am selben Standort ist der Tank nicht verbunden. Ein unterirdischer Aquiferspeicher wurde 2023 aufgegeben, weil die Tests zu wenig Thermalwasser erbrachten. Der nun geplante Behälter steht oberirdisch und ist für die Speicherung über Stunden und Tage gedacht – nicht für mehrere Jahreszeiten.

Großspeicher im Energiesystem

Wie solche Anlagen in Fernwärmenetze und das gesamte Energiesystem passen, untersucht das Forschungsprojekt „SysGF: Systemische Analyse von Großwärmespeichern in der Fernwärme“. Es läuft von November 2023 bis November 2026. Im Mittelpunkt stehen das technische und wirtschaftliche Potenzial von Großwärmespeichern in Verbindung mit erneuerbarer Wärmeerzeugung – sowohl in deutschen Fernwärmesystemen als auch im übergeordneten Energiesystem.

Dafür werden Fernwärmesysteme in ein detailliertes Modell des deutschen Energiesystems integriert und unter Berücksichtigung der Sektorenkopplung optimiert. Großwärmespeicher gelten dabei als Flexibilitätsoption für die Integration klimaneutraler Wärme, auch wenn gerade kein unmittelbarer Wärmebedarf besteht.

Untersucht werden Erdbeckenspeicher (PTES), Hochtemperatur-Aquifer-Wärmespeicher (hT-ATES), Behälterspeicher (TTES) und Erdsondenspeicher (BTES). hT-ATES benötigen oberirdisch vergleichsweise wenig Platz und könnten deshalb für urbane Ballungsräume interessant sein. Dafür müssen die geologischen Bedingungen passen – und genau da wird es in der Praxis schnell knifflig.

Vom Wärmetank bis zur Wasserstoffwirtschaft

Das Projekt will die bisher oft vereinfachte Darstellung von Großwärmespeichern in Energiesystemmodellen um standortspezifische, geografische und infrastrukturelle Faktoren erweitern. Ziel ist eine gesamtsystemische Optimierung des Modells PyPSA-Eur vor dem Hintergrund der angestrebten Klimaneutralität bis 2045.

Geprüft wird, welche Transformationsmaßnahmen in Fernwärmesystemen für das gesamte Energiesystem kostengünstig sind, welchen Beitrag Großwärmespeicher leisten können und wie sie regulatorisch unterstützt werden könnten. Zusätzlich geht es um Wasserstoff als Energiespeicher und Transportmedium, die Nutzung von Abwärme aus Elektrolyseuren in Fernwärmesystemen sowie den Einsatz von Wasserstoff in gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugungsanlagen.

Auch Solarthermie gehört zum Untersuchungsfeld. Dabei wird die Flächenkonkurrenz zwischen Solarthermie und Photovoltaik betrachtet. Der geplante Szenario-Rahmen soll modell- und Open-Source-basiert sein und außerdem einen Vorschlag für einen regulatorischen Rahmen liefern.

Der Modellierungsansatz optimiert gleichzeitig Investitionen in den Wärmesektor, in erneuerbare Energieerzeugung, Energieübertragung und -speicherung, die Wasserstoffwirtschaft und die Industrie. Vorgesehen sind sieben Arbeitspakete: detaillierte Technologiebeschreibungen für zukünftige Fernwärmekonzepte, praxisnahe zukünftige Beispielfernwärmekonzepte, die Erweiterung von PyPSA-Eur, die detaillierte Abbildung und Analyse des Gesamtsystems, die Entwicklung eines regulatorischen Rahmens sowie der Praxistransfer.

Forschung mit Blick auf die Praxis

Geleitet wird das Konsortium von der Hamburg Institut Research gGmbH (HIR). Projektpartner sind die Technische Universität Berlin, Fachgebiet Digitaler Wandel in Energiesystemen, und die AGFW-Projektgesellschaft für Rationalisierung, Information und Standardisierung mbH.

Auftraggeber ist das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK; seit 2025 BMWE). Finanziert wird das Vorhaben im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung, Förderaufruf „Klimaneutrale Wärme und Kälte“.

Als Mitwirkende des Hamburg Instituts werden Dr. Mathias Ammon, Dr. Matthias Sandrock als Projektleiter, Dr. Nikolai Strodel, Dr. Tobias Zimmermann, Felix Landsberg und Marc Lüdcke genannt. Während in Tiefstack also ein Tank für heiße Stunden und kalte Morgen entsteht, rechnet die Forschung im Hintergrund an einem deutlich größeren Puzzle: an Wärme, Strom, Wasserstoff, Flächen – und daran, wie das alles im Jahr 2045 zusammenpassen kann.