Power-to-Heat

Die neuen dezentralen Wärmespeicher haben nichts mit Nachtspeicheröfen aus den 80ern zu tun. Während diese mit günstiger, aber schmutziger Energie aus den fossilen Großkraftwerken betrieben wurden, setzen moderne Power-to-Heat Technologien auf nachhaltigen, dezentralen Photovoltaik-Strom.

Dabei wird nicht nur saubere Wärmeenergie erzeugt, sondern nebenbei eines der größten Probleme der dezentralen Stromerzeugung entschärft: Das öffentliche Stromnetz steht zunehmend unter Druck, die vielen kleinen Energielieferanten zu regeln und die Spannung aufrecht zu erhalten. Durch die Reduktion der solarelektrischen Überschüsse pro Haushalt werden die Netze entlastet und der erzeugte Strom wird an Ort und Stelle effizient eingesetzt.

Stand der Technik

Eine zentrale Wärmequelle, oft solarthermisch unterstützt, versorgt ganzjährig, 24 Stunden täglich (aus Komfort- und Hygienegründen), dezentrale Wohnungsstationen. Diese übernehmen sowohl die Raumwärmeversorgung während der Heizperiode als auch die Temperierung des Warmwassers. Letzteres erfolgt oft ohne Bevorratung erst im Moment der Zapfung über einen leistungsstarken Wärmetauscher. Damit den Verbrauchern rund um die Uhr warmes Wasser zur Verfügung steht, ist es unerlässlich, dass dieses 2-Leiternetz als sogenannte Zirkulationsleitung pausenlos auf hohem Temperaturniveau durchströmt wird. Die dabei auftretenden Energieverluste sind beträchtlich und entsprechen nicht selten beinahe dem eigentlichen Energiebedarf für Warmwasser. In Bestandsgebäuden mit 4-Leiternetz treten Verluste in noch weitaus größerem Ausmaß auf (vgl. Technologieleitfaden Warmwasser. Stadt Wien, MA20 –– 02/2016).

Dynamische Jahressimulation mit Polysun

Um die möglichen Energieeinsparungen und Effizienzsteigerungen durch die Verwendung von Power-to-Heat Systemen zu veranschaulichen, wird der Energiefluss an Hand eines fiktiven Beispiels für beide Systeme verglichen – siehe Abbildungen.

Ausgangspunkt ist ein Wohngebäude in Österreich mit acht Wohneinheiten. Der Heizbetrieb ist von September bis April festgelegt, der Warmwasserverbrauch pro Wohnung mit 80 l/Tag (entspricht durchschnittlich 1,5 Personen je Wohnung) bei 50 °C definiert. Die Leitungen zur Wärmeverteilung weisen eine Gesamtlänge von 140 m auf. Die Simulation wurde ohne Berücksichtigung von weiteren elektrischen Verbrauchern durchgeführt. In beiden Fällen übernimmt eine 30 kW Luftwärmepumpe die Versorgung des Gebäudes mit Raumwärme auf niedrigem Temperaturniveau.

In den schematischen Darstellungen der Energieflüsse in Abbildung 1 und 2 (Daten und Symbole: Polysun) symbolisieren die grünen Pfeile die Umweltwärme aus der Umgebungsluft und den Solarstrom. Energie aus dem Stromnetz ist blau dargestellt, die gelben Pfeile kennzeichnen den Bedarf für Heizung und Warmwasser. Verluste, Überschüsse und Nutzenergien sind rot eingezeichnet.

Bei der ersten Betrachtung wird auch das Warmwasser mittels Luftwärmepumpe erhitzt. Dazu wird die Betriebstemperatur dreimal täglich für eine intermittierende Beladung der dezentralen Boiler angehoben. Bei dieser Annahme wird somit bereits von einem energetisch günstigeren Fall ausgegangen, da die Temperatur zur Warmwasserbereitung nicht ständig zur Verfügung stehen muss. Dennoch zeigt das Ergebnis einen hohen Verlust von 9.000 kWh, was 82 % des erforderlichen Energiebedarfs zur Erwärmung des Brauchwassers entspricht.

Im zweiten Fall ist die Warmwasserbereitung von der Gebäudeheizung komplett getrennt. Gerade für Wärmepumpen ist dadurch ein effizienterer Betrieb möglich (vgl. Technologieleitfaden Warmwasser. Stadt Wien, MA20 –– 02/2016). Das Aufheizen des Brauchwassers wird von photovoltaischen Wärmeerzeugern dezentral durchgeführt, als Energiequelle fungiert eine 12 kWp PV-Anlage (entspricht 1,5 kWp je Wohnung). Der PV-Strom wird dabei direkt in die Warmwasserspeicher geleitet und in Wärme umgewandelt. Darüber hinausgehende Überschüsse werden in das öffentliche Stromnetz eingespeist.

Da im zweiten Fall die Beladung nicht intermittierend, sondern laufend erfolgt, treten an den Warmwasserspeichern geringfügig höhere Verluste auf. Der Vergleich zeigt aber gegenüber der ersten Variante eine Reduktion des Endenergiebedarfs aus dem Stromnetz von 20 % (10.300 statt 12.600 kWh). Subtrahiert man davon die PV-Überschussenergie die ins Netz eingespeist wird, zeigt die Gesamtenergiebilanz eine Reduktion des elektrischen Energieeintrages in das Gebäude von über 50 %. Unter diesen Bedingungen beträgt der solare Deckungsgrad zur Warmwasserbereitung 64 %. Der PV-Eigenverbrauch kann mit 68 % beziffert werden, wobei eine Steigerung, beispielsweise durch die Versorgung von Gemeinschaftsverbrauchern im Objekt, noch möglich wäre.

Dezentrale Warmwasserbereitung

im Wohnungsbau

Durch dezentrale Lösungen können thermische
Verteilverluste in den Steig-, Verteil- und Anbindeleitungen vermieden werden (vgl. Technologieleitfaden Warmwasser. Stadt Wien, MA20 –– 02/2016). Zudem sinken die Preise für Photovoltaikmodule seit Jahren beständig, der erzielte Wirkungsgrad steigt andererseits stetig an. Das hat mit sich gebracht, dass die Grenze vor der diese Technologie noch zu teuer war, um damit Wärme zu erzeugen, mittlerweile hinter uns liegt. Durch den Einsatz von Photovoltaik mit dezentralen elektrischen Wärmeerzeugern können die hohen Energieverluste der Rohrleitungen im Wohnungsbau gänzlich vermieden werden. Die Solarenergie wird - nahezu verlustlos - genau dort in Wärme umgewandelt, wo sie benötigt wird.

Kombination mit Wärmepumpen

Neben der strikten Trennung von Raumwärme und Warmwasserbereitung beim Einsatz von Power-to-Heat Technologien, sind auch kombinierte Lösungen möglich. Im Winter ist beispielsweise die Vorwärmung des Brauchwassers mit Hilfe der Wärmepumpe und anschließender elektrischer Nachheizung sinnvoll. Werden dazu photovoltaische Wärmeerzeuger verwendet, so können die Temperaturen des Hausnetzes einerseits permanent am niedrigeren Niveau der Gebäudeheizung gehalten werden, andererseits verbessern die niedrigen Außentemperaturen den Wirkungsgrad der PV zusätzlich.

Im Sommer ist es empfehlenswert, die Technologie als alleinige Wärmequelle zu verwenden. Das normale Heizsystem oder der Fernwärmeanschluss können komplett stillgelegt werden. Die ineffiziente Inbetriebnahme an den wenigen Tagen mit zu geringer Sonneneinstrahlung entfällt. Denn gerade bei Fernwärmenetzen übersteigen die Verluste im sommerlichen Betrieb in der Regel den eigentlichen Energiebedarf der Abnehmer (http://www.energy-mag.com – 08/2015). Die Kosten dafür tragen in den meisten Fällen die Netzbetreiber.