Windheizung 2.0

Highlights aus Forschung und Entwicklung

Energiespeicherung und Stromnetzregelung mit hocheffizienten Gebäuden

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Erneuerbare Energien erzeugten im Jahr 2015 ca. 30 Prozent des gesamten Stroms in Deutschland. Den größten Teil – etwa zwei Drittel – lieferten Windkraftanlagen.

© Foto Fraunhofer IBP

Projektbausteine zur Analyse der Energiespeicherung und Stromnetzregelung mit hocheffizienten Gebäuden.

Wind, Sonne, Wasser – die erneuerbaren Energien produzierten im Jahr 2015 in Deutschland ca. 30 % des gesamten Stroms...

Den größten Teil davon, genauer gesagt etwa zwei Drittel, erzeugten Windkraftanlagen. Um das Netz stabil zu halten, müssen diese allerdings zeitweise immer wieder vom Netz genommen werden. Die Strommenge aus erneuerbaren Energie wird auch in Zukunft weiter steigen, schließlich werden zahlreiche neue Anlagen gebaut, insbesondere Windkraftanlagen. Das heißt: Es wird zunehmend ein Paradigmenwechsel nötig – von der »verbrauchsabhängigen« Erzeugung hin zu einer »angebotsorientierten« Nutzung von Energie.

 

Gebäude bieten ungenutztes Speicherpotenzial

Derzeit entfällt etwa ein Drittel des gesamten Endenergieverbrauchs auf den Gebäudesektor, Gebäude sind damit einer der größten Verbrauchssektoren. Darüber hinaus bietet der gesamte Gebäudebestand durch seine thermische Speichermasse ein immenses und noch weitgehend ungenutztes Energiespeicherpotenzial. Der Gebäudesektor kann somit einen wichtigen Beitrag zur Netzstabilisierung leisten und Stromspitzen ausgleichen. Weiterhin ist davon auszugehen, dass zukünftig mehr Strom zu Heizzwecken verwendet werden wird – vorzugsweise aus den nicht regelbaren Überschüssen.

Inwieweit ist es möglich, Gebäude überwiegend mit Überschussstrom zu beheizen – also mit Strom, der bei starkem Wind erzeugt wird? Wie müssen derartige Gebäude konzipiert sein, um wirtschaftlich zu sein? Dies untersuchen Forscher des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP in einer Studie, die vom Bayerischen Landesamt für Umwelt beauftragt wurde. Die Lösungsansätze, die sie dabei erarbeiten, orientieren sich an den vier Zielgrößen Versorgungssicherheit/Systemverträglichkeit, Wirtschaftlichkeit, Nutzerkomfort und Umweltverträglichkeit. Die Studie wurde durch die drei Abteilungen Energieeffizienz und Raumklima, Ganzheitliche Bilanzierung sowie Hygrothermik bearbeitet.

Die Wissenschaftler analysieren zunächst die Starkwindereignisse in Deutschland aus den vergangenen Jahren. Daraus ermittelten sie die wesentlichen Eckdaten, um die Häufigkeit und die Dauer von zukünftigen Starkwindereignissen vorherzusagen. Das Ergebnis: Während der Heizperiode ist in Deutschland mit 95­prozentiger Wahrscheinlichkeit spätestens alle 13 Tage mit einem Starkwindereignis zu rechnen, welches etwa neun Stunden dauert. Das Windheizungs-Gebäude muss daher idealerweise in der Lage sein, innerhalb von neun Stunden so viel Energie aufzunehmen und zu speichern, dass es damit seinen Bedarf zur Raumheizung und Brauchwarmwasserbereitung bis zum nächsten Starkwindereignis überbrücken kann. So lässt es sich vermeiden, in der Zwischenzeit auf konventionell erzeugten Strom zurückgreifen zu müssen.

In einer umfangreichen Recherche selektierten die Forscher zunächst typische Gebäudegeometrien für Einfamilienhäuser und für Bürogebäude (Typgebäude). Anschließend definierten sie praxisübliche Bauteilaufbauten für drei verschiedene, häufig vorzufindende Bauweisen (Ziegel, Beton, Holz) – sowohl im Neubau als auch im Sanierungsfall. Im nächsten Schritt stellten sie potenziell geeignete Wärmeerzeuger, Speicher­ und Übergabesysteme zusammen und dimensionierten sie für die unterschiedlichen Gebäude bzw. Bauweisen. Die möglichen Kombinationen aus Gebäudetyp, Bauweise, Erzeuger, Speicher und Übergabesystem (etwa 5000 Varianten), die sich aus dieser Variantenmatrix ergeben, bewerteten sie zunächst in einer Grobanalyse: Eignen sie sich grundsätzlich dafür, die Windstromanteile zu decken? Sind sie wirtschaftlich? Es zeigte sich, dass die Wirtschaftlichkeit der betrachteten Varianten deutlich kritischer zu bewerten ist als die Höhe der Windstromdeckung. Wärmeerzeuger mit höheren Investitionskosten – beispielsweise Pelletkessel, erdreichgekoppelte Sole-Wärmepumpen, direktelektrische Heizmatten zur Bauteiltemperierung, Wärmespeicher mit PCM und Eisspeicher – sind derzeit für Windheizungskonzepte nicht wirtschaftlich.

Für die vielversprechendsten Gebäude-/Technik-Kombinationen erstellten die Forscher detaillierte Simulationsmodelle in der Softwareumgebung WUFI® Plus, die das thermische und das energetische Verhalten abbildet. Mit einer Modellierung des Gebäudes – die auch die Anlagen- und Speichertechnik umfasst und die das gekoppelte Verhalten von Wärmeerzeugung, Wärmespeicherung und -übergabe an das Gebäude wiedergibt – führten sie umfangreiche Variantenrechnungen durch und bewerteten sie hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Umweltverträglichkeit und Komfort. Sowohl für Büro- als auch für Wohngebäude zeigen sich technisch realisierbare Lösungen; allerdings sind diese nur bei sehr effizienten Wohngebäuden und geringen Stromkosten wirtschaftlich darstellbar. Wie umweltverträglich die Lösung ist, hängt maßgeblich davon ab, wie viel Reststrom das Gebäude noch braucht. Sinnvolle Speichersysteme sind große Wasserspeicher und Bauteilaktivierungen (Betondecken). Was die Bauteilaktivierung angeht, sind allerdings noch weiterführende Arbeiten zur Optimierung der Regelungsstrategien nötig, beispielsweise auf Basis der Wetterprognose. Eine weitere technisch und wirtschaftlich vielversprechende Möglichkeit scheinen zentrale, elektrisch beheizte Hochtemperatur-Steinspeicher zu sein, die mit einem Nachtspeicherofen vergleichbar sind.

Das Konzept Windheizung ist ein wirtschaftlich interessantes Instrument, um die Sektoren Strom und Wärme zu koppeln und das Netz zu stabilisieren. Es hat ein hohes Potenzial zur Minderung der Umweltwirkungen, vor allem bei hocheffizienten Bauweisen kann es wirtschaftlich sein. Um es breit einzuführen, sind allerdings noch weitere Entwicklungen und Optimierungen der einzelnen Technikkomponenten und der regulatorischen Randbedingungen nötig.