Power-to-Heat in der Brauchwassererwärmung
Hintergründe & Möglichkeiten
In der aktuellen Debatte rund um die Energiewende ist häufig die Rede von Sektorenkopplung und Power-to-Heat. Der folgende Beitrag soll zeigen, was es damit auf sich hat und welche Möglichkeiten sich hieraus für die Brauchwassererwärmung ergeben.
Zukünftige Maßnahmen der Energiewende werden darauf abzielen, den Wärmemarkt weitgehend zu elektrifizieren. Klimaschonend – und das ist die Vorgabe – kann das nur mit Strom aus erneuerbaren Energien gelingen. Diese Kopplung von Strom- und Wärmemarkt führt uns zu einem Begriff, der in der aktuellen Energiediskussion immer wieder auftaucht: Power-to-Heat (zu Deutsch: Strom zu Wärme). Dabei ist die Technik, Strom in Wärme umzuwandeln, nun wirklich nicht neu. Sie hat vielmehr schon gleich nach Beginn der Elektrifizierung Einzug in unseren Alltag gehalten, zum Beispiel als Bügeleisen, Wassererwärmer oder Heizgeräte. Und auch in Industrie und Gewerbe gehörten elektrische Wärmeerzeuger schnell zur Standardausrüstung. Doch bei Power-to-Heat kommt noch eine wichtige Forderung hinzu: Der Strom soll nicht wie damals aus fossilen Brennstoffen stammen, sondern aus erneuerbaren Energien.
Vorteile „Power-to-Heat“
Der treibende Gedanke hinter Power-to-Heat ist die Möglichkeit, Stromüberschüsse aus Erneuerbare-Energien-Anlagen für die Bereitstellung von Raum- oder auch Prozesswärme zu verwenden, um damit fossile Energieträger so weit wie möglich zu ersetzen. Eine weitere lohnende Funktion zeigt sich mit Blick auf die volatilen Energiequellen Sonne und Wind. Deren schwankenden Energieerzeugungen kämen flexible Lasten auf der Kundenseite sehr entgegen, elektrische Verbraucher also, die sich relativ schnell ein- und ausschalten lassen. Diese Anforderung können „Power-to-Heat“-Anlagen bestens erfüllen und damit sich ständig wechselnde Einspeisungen sicher kompensieren. Weitere Vorteile ergeben sich aus der physikalischen Gesetzmäßigkeit, dass die Umwandlung von PV-Strom in Wärme in einem elektrischen Heizwiderstand mit einem Wirkungsgrad von annähernd 100 % vonstattengeht. Mit elektrischen Wärmepumpen ist sogar ein Vielfaches möglich, da der Großteil der benötigten Wärme aus der Umwelt stammt.
Brauchwassererwärmung per PV-Strom
Wirtschaftlich und ökologisch am sinnvollsten ist eine elektrische Brauchwassererwärmung dann, wenn elektrische Energie aus eigener Produktion zur Verfügung steht, zum Beispiel aus einer Photovoltaikanlage. Mit einem Elektroheizstab und einem passenden Steuergerät dazu kann der Verbraucher Ökostrom für die Wärmeversorgung in seinem Haushalt nutzen. Die Firma ECO-MC GmbH, Entwickler von PV-Projekten und Lieferant von PV-Komponenten, bietet eine solche Kombination im Paket an. Die Funktion des Ganzen läuft folgendermaßen ab: Das Steuergerät mit dem Namen „Cloudy116“, ein Produkt der Yellowstone Soft GmbH, bekommt vom elektronischen Zweirichtungszähler (der in der Elektroanlage vorhanden sein muss) im Abstand von 10 Sekunden die aktuelle Leistung in Watt und die Information, ob Energie vom Verteilnetzbetreiber bezogen oder in dessen Netz eingespeist wird. Liefert die PV-Anlage Strom, schaltet das Steuergerät den Elektroheizstab ein, das Brauchwasser wird erwärmt. Im umgekehrten Fall, wenn also nicht genügend PV-Energie zur Verfügung steht oder das Brauchwasser die gewünschte Temperatur erreicht hat, geht der Heizstab automatisch außer Betrieb. Das Steuergerät wird direkt im Zählerschrank neben dem elektrischen Zweirichtungszähler montiert. Hierfür genügt eine Hutschiene mit 70 mm freiem Platz. Die Datenverbindung zum Zähler erfolgt mit einem optischen Lesekopf, der magnetisch am Zähler befestigt wird. Die Parametrierung des „Cloudy 103“ erfolgt einmalig mit einem interaktiven Windows-Programm. Der zum System gehörende Heizstab der Firma Askoma AG verfügt über drei Leistungsstufen, die je nach vorhandenem Energieangebot aktiviert werden. Das ist wichtig, da die überschüssige PV-Leistung niedriger sein kann als die Leistung eines marktgängigen Heizstabs. So ist auch bei geringer Sonneneinstrahlung eine effektive Funktion gewährleistet. Für die Installation des Heizstabes wird eine 1½ Zoll messende Einbauhülse am Brauchwasserspeicher und ein 230 V-Wechselstromanschluss benötigt. Das Steuergerät und der Heizstab werden über eine vieradrige Steuerleitung miteinander verbunden.
Energiemanagement & Heizstab
Ein weiteres Beispiel für die automatische Verwendung von Solarenergie für die Erwärmung von Brauchwasser ist der so genannte „PV-Heater 3.0“ der Varista GmbH. Das Gerät wird bevorzugt als integriertes Teil des Energiemanagementsystems „EnergyGuard“ betrieben, kann aber auch als Stand-alone-Lösung eingesetzt werden. Die Regelung erfasst überschüssigen selbst erzeugten Strom aus der Photovoltaikanlage und leitet ihn stufenlos zu einem Elektroheizstab in der Brauchwasseranlage. Stufenlos bedeutet in diesem Zusammenhang, dass schon geringe Überschüsse genutzt werden. An den PV-Heater lassen sich Lastwiderstände beziehungsweise Elektroheizstäbe mit einer Leistung von 3 kW anschließen. In einem 3-phasigen Stromnetz summiert sich die Leistung auf 9 kW, wenn pro Phase ein Gerät angeschlossen wird.
Brauchwassererwärmung mit Wärmepumpe
Die Wärmepumpe stellt die effizienteste Technik im „Power-to-Heat“-Bereich dar, denn die eingesetzte elektrische Energie lässt sich durch die zusätzliche Nutzung von Umweltwärme vervielfachen. Die Skala reicht vom Faktor 3 und höher, zum Beispiel bei Luft/Wasser-Wärmepumpen für die Brauchwassererwärmung, bis zum Faktor 5 und höher bei Sole/Wasser-Wärmepumpen für die Raumheizung, wobei diese Werte bei steigender Differenz zwischen der Temperatur der Energiequelle und der Vorlauftemperatur des Heizsystems sinken.
Brauchwasser-Wärmepumpen können allein mit der Luft des Raumes, in dem sie aufgestellt sind, den Inhalt eines Brauchwasserspeichers (Inhalt bis 300 l für 5‑Personen-Haushalt) auf maximal 65 °C aufheizen. Dabei saugt ein Ventilator im oberen Bereich des Wärmepumpengehäuses Raumluft an und bläst sie abgekühlt auf der entgegengesetzten Seite wieder in den Raum hinein. Diese Umluft-Variante ist unter anderem bestens für die Aufstellung in Räumen geeignet, die kühl gehalten werden sollen, wie zum Beispiel Vorratsräume und Weinkeller. Neben der Raumkühlung bringt die Absenkung der Temperatur am Aufstellungsort einen weiteren nützlichen Effekt mit sich: Der Raumluft wird unter Bildung von Kondenswasser, das gesammelt und abgeführt wird, Feuchtigkeit entzogen; der Aufstellraum wird trocken. Das ist ein Vorteil, der vor allem in Altbauten zum Tragen kommt. Als Beispiel für die Umluftvariante sei hier die Brauchwasser-Wärmepumpe „WWK 300“ von Stiebel Eltron genannt. Sie hält in einem integrierten Speicher 302 l warmes Wasser mit einer Nenn-Warmwasser-Temperatur von 55 °C zum Verbrauch in Haushalt oder Gewerbe bereit. Das Gerät lässt sich mit minimalem Installationsaufwand in Betrieb nehmen: Die elektrischen Komponenten, unter anderem Kompressor, Ventilator und Umwälzpumpe, sind steckerfertig verdrahtet. Die Wärmepumpe muss also nur noch an die Kalt- und Warmwasserleitung angeschlossen werden. Ein elektrischer Heizstab hilft, auch Bedarfsspitzen schnell abzudecken und auf Knopfdruck das obere Drittel des Speichers zum Schutz vor Legionellen einmalig auf 65 °C zu erhitzen.
Einsatz mit Abluft-Wärmepumpe
Es ist aber auch möglich, Abluft aus mehreren Räumen, zum Beispiel Küche, Bad und WC zu nutzen. Jeder Raum, der am Abluftsystem teilhaben soll, erhält einen Rohranschluss mit einem Abluftventil, über das die meist durch Abwärme von Leuchten und elektrischen Haushaltsgeräten angewärmte Raumluft zur Wärmepumpe strömt und dort ihre thermische Energie abgibt. Der Lüfter der Wärmepumpe bläst dann die abgekühlte Luft als Fortluft ins Freie. Zur Vermeidung von Unterdruck fließt den angeschlossenen Räumen über separate Zuluftventile Außenluft zu. Damit ist der Kreislauf geschlossen.
Für dieses Prinzip soll hier ebenfalls beispielhaft ein Gerät vorgestellt werden, nämlich die Luft/Wasser-Wärmepumpe „LWP 200E“ von Dimplex. Auch sie kann mit der thermischen Energie aus der Wärmerückgewinnung dezentrale Brauchwasseranlagen versorgen. Das Kompaktgerät ist für Bodenaufstellung vorgesehen, die Luftkanalanschlüsse befinden sich an der Geräteoberseite, die Bedienung erfolgt menügeführt über ein beleuchtetes LC-Display mit Klartextanzeige. Der integrierte EC-Ventilator besitzt drei Leistungsniveaus, die stufenlos programmierbar sind. Der Warmwasserspeicher besteht aus emailliertem Stahl und ist mit einer Schutzanode gegen Korrosion ausgestattet. Die Wärmedämmung des Speichers ist zusätzlich mit einem Folienmantel umhüllt. Weitere Merkmale: stufenlos einstellbare Warmwassertemperatur, Zeitprogramme, Schnellheizfunktion und thermische Desinfektion, Schnittstelle zur Nutzung von selbsterzeugtem PV-Strom. Lüftungssysteme von Dimplex seien bereits in vielen auch unterschiedlichen Gebäudetypen installiert und sorgten dort zuverlässig für eine kontrollierte Wohnraumlüftung, heißt es bei dem Unternehmen aus Kulmbach. Auf der Website finden sich einige Referenzanlagen, für die Ansprechpartner genannt werden und die in vielen Fällen auch besichtigt werden können.
Ausblick
Zum Schluss noch eine Einschätzung von Energieexperten aus einer Studie des VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. zu den Chancen von Power-to-Heat: „Unter der Prämisse einer CO2-Reduktion um mindestens 80 % bis zum Jahr 2050 stellt der Einsatz von Strom zur Wärmeerzeugung die volkswirtschaftlich günstigste Variante dar, um fossile Energieträger im Wärmemarkt, die heute den überwiegenden Anteil darstellen, zu ersetzen. Langfristig sei dafür ein zusätzlicher Ausbau von Photovoltaik- und Windenergie erforderlich.“ Dem ist aus heutiger Sicht nichts hinzuzufügen.
