In den letzten 25 Jahren ist der Anteil erneuerbarer Energiequellen an der Erzeugung elektrischer Energie stark angestiegen und es ist zu erwarten, dass diese Entwicklung in den nächsten Jahren weiter anhält. Die Volatilität der erneuerbaren Energiequellen führt verstärkt zu einem Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage von elektrischer Energie, was in einen steigenden Bedarf an Speicherkapazitäten mündet. Zur Speicherung elektrischer Energie in Form von thermischer Energie können Strom-Wärme-Strom (SWS) Systeme, eine ortsungebundene Alternative zu etablierten Speichertechnologien, eingesetzt werden. Detaillierte Analysen, die das transiente Betriebsverhalten von SWS Systemen bestehend aus kommerziell verfügbaren oder dem Stand der Technik entsprechenden Komponenten berücksichtigen, sind gegenwärtig nicht öffentlich verfügbar.

In der vorliegenden Arbeit werden numerische Modelle zur transienten Berechnung von SWS Systemen basierend auf der Prozesssimulationssoftware EBSILON Professional erstellt. Dafür werden Modelle zur Simulation von sensiblen thermischen Energiespeichern für Schüttgüter und latenten thermischen Energiespeichern entwickelt und validiert. Während das Modell des sensiblen thermischen Energiespeichers für Schüttgüter auf Modifikationen einer existierenden Standardkomponente beruht, wurde das Modell des latenten thermischen Energiespeichers unabhängig modelliert und als Zusatzkomponente implementiert.

Zur Analyse von SWS Systemen wird ein charakteristisches Einsatzszenario vom Europäischen Energiemarkt abgeleitet. Basierend auf dem Day-Ahead Markt für Deutschland und Österreich, der sich durch eine hohe Vorhersagbarkeit der tageszeitlichen Preisverteilung auszeichnet, absolvieren die SWS Systeme einen kompletten Belade-, Speicher- und Entladezyklus pro Tag. Für einen möglichst wirtschaftlichen Betrieb werden Beladeleistungen in der Größenordnung von 10 MW mit Be- und Entladezeiten von 4 h kombiniert.

Aufbauend auf Joule und Rankine Prozessen werden SWS Systeme bestehend aus kommerziell verfügbaren oder dem Stand der Technik entsprechenden Komponenten konzipiert. Außerdem werden Design-Parameter optimiert, um hohe Strom-zu-Strom Gesamtwirkungsgrade zu erzielen. Unter Verwendung der im Zuge dieser Arbeit entwickelten Modelle wird der transiente Betrieb entsprechend der charakteristischen Einsatzszenarien simuliert. Eine detaillierte exergoökonomische Analyse, die Kombination aus exergetischer und ökonomischer Analyse, wird für die auf Joule Prozessen aufbauenden SWS Systeme durchgeführt. Mit einer vereinfachten Sensitivitätsanalyse wird der Einfluss der ökonomischen Eingangsparameter auf die Ergebnisse abgeschätzt.

Abhängig von Design-Parametern erzielen die analysierten SWS Systeme Strom-zu-Strom Gesamtwirkungsgrade zwischen 36 % und 43 %. Bei geringeren Wirkungsgraden als etablierte Speichertechnologien haben SWS Systeme den Vorteil der lokalen Unabhängigkeit. Die exergoökonomische Analyse zeigt, dass ein wirtschaftlicher Betrieb von SWS Systemen derzeit nicht möglich ist. Dies liegt jedoch zumindest teilweise an den derzeitigen Bedingungen am Deutschen Energiemarkt, welche keine guten Voraussetzungen für den Betrieb von elektrischen Energiespeichern schaffen.

Die im Zuge dieser Arbeit konzipierten SWS Systeme und entwickelten numerischen Modelle erlauben die exergoökonomische Analyse und Bewertung dieser Speichersysteme. Dabei wurden insbesondere verfügbare Technologien und ein realistisches Einsatzszenario berücksichtigt.