Forschungsvorhaben »Windheizung 2.0: Langzeit-Speicher«

Lösungen zur Umsetzung eines Windheizung 2.0-Gebäudes
© Bayerisches Landesamt für Umwelt
Mögliche Lösungen zur Umsetzung eines Windheizung 2.0-Gebäudes mit großem Warmwasserspeicher (A), Bauteilaktivierung (B) und zentralem Hochtemperatur-Steinspeicher (C).

Die Windenergie stellt mittlerweile in Deutschland den größten Anteil an der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien dar. Vor allem durch Starkwindereignisse herrscht im Winter im deutschen Stromnetz häufig ein Überangebot, das dann zu niedrigen bis negativen Preisen an der Strombörse führt. In manchen Regionen müssen Windkraftanlagen zur Sicherung der Netzstabilität reduziert oder zeitweise komplett abgeregelt werden. Gebäude in Deutschland bieten mit ihren großen thermischen Speichermassen enorme Potentiale für die Wärmespeicherung. Da Windkraft im Stromnetz der Zukunft eine wichtige Rolle spielen wird und diese überwiegend im Winter in Form von Starkwindereignissen überschüssig vorhanden ist, fallen der Heizwärmebedarf von hocheffizienten Gebäuden und die Verfügbarkeit von Überschussstrom zeitlich eng zusammen. Dadurch können die Windheizung 2.0-Gebäude der Zukunft durch die Erzeugung von Wärme aus erneuerbarem elektrischen Überschuss-Strom ihren Energiebedarf umwelt- und systemverträglich decken und gleichzeitig zur erfolgreichen Umsetzung der Energiewende beitragen. Die Systemverträglichkeit entsteht für das Stromnetz auch aus der Tatsache, dass Windheizung 2.0 Gebäude während längerer Phasen mit hohen Netzauslastung (ein bis zwei Wochen) auf den Bezug von Heizstrom verzichten können.

Projektziele#

Im Projekt »Windheizung 2.0: LZ-Speicher« werden unterschiedliche Speichertechnologien, Hochtemperatur-Steinspeicher (HTSS), Wasserspeicher und bauteilintegrierte Langzeitspeicher (BTA) entwickelt, welche eine Nutzung von Windstrom-Überproduktionen zur Gebäudebeheizung ermöglichen. Hierzu muss die Speichergröße dem Heizenergiebedarf des hocheffizienten Gebäudes für ein bis zwei Wochen angepasst und entsprechende Be- und Entladeregelungen geschaffen werden. Zur Erarbeitung geeigneter Lösungsstrategien werden zunächst umfangreiche Analysen mittels Gebäudesimulation (WUFI® Plus) durchgeführt. Anschließend erfolgen Messungen an Prototypen auf dem Freilandversuchsgelände des Fraunhofer IBP in Holzkirchen, in den Zwillingshäusern (zwei baugleiche Einfamilienhäuser, HTSS und Sanierungs-BTA) und einem Beton-CUBE (Neubau-BTA) zur Verifizierung der jeweiligen Ansätze. Die zu entwickelnden Lösungsvarianten orientieren sich hierbei an den Kriterien Wirtschaftlichkeit, Windstromdeckung, Nutzerkomfort und Umweltwirkungen – betrachtet über den ganzen Lebenszyklus. Zur Unterstützung des späteren Markteintritts des Systems Windheizung 2.0 wird ein Planungstool für Fachplaner bereitgestellt.

Stand des Projektes#

Erste Ergebnisse aus Voruntersuchungen zeigen, dass Windheizung 2.0-Gebäude über ihren Lebenszyklus eine Reduktion des nicht-erneuerbaren Primärenergiebedarfs im Bereich von 55 bis 85 Prozent erreichen können. Die Einsparungen beziehen sich hierbei auf ein Vergleichsgebäude gemäß EnEV 2014 mit Referenztechnologie unter Bewertung der Betriebsphase und Berücksichtigung des Mehraufwands an Konstruktion für den Windheizung 2.0-Standard.

Nach erfolgreicher Entwicklung und Aufbau der Speichersysteme erfolgen derzeit die Messungen in den Zwillingshäusern und am Beton-CUBE zur Verifizierung der jeweiligen Ansätze inklusive der prädiktiven Regelung, die basierend auf der Wettervorhersage den Wärmebedarf der kommenden Wochen ermittelt.

Im Anschluss an das Forschungsvorhaben Ende 2021 ist geplant, die einzelnen Speichertechnologien an ersten real genutzten Demonstrationsgebäuden zu verifizieren. Ein entsprechender Forschungsantrag ist aktuell in Vorbereitung.

Projektpartner#

  • Zentrum für Innovative Energiesysteme der Hochschule Düsseldorf (ZIES)
  • Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie (StMWi)
  • Bayerisches Landesamt für Umwelt (LfU)
  • CONCRETE Rudolph GmbH
  • Klimatop GmbH
  • Rath GmbH
  • Bundesverband Kalksandsteinindustrie e. V.
  • Klöpper-Therm GmbH & Co. KG
  • tekmar Regelsysteme GmbH
  • TenneT TSO GmbH
  • LEW Verteilnetz GmbH, Lechwerke AG