PV to Heat im - Technische Universität Braunschweig

Technologie PV to Heat im „Stromhaus“ – Ergebnisse aus Systemanalysen und Betriebserfah‐
rungen F. BOCKELMANN, M. N. FISCH Der Zukunftstrend im Wandel der Energieversorgung geht zum Gebäude als Kraftwerk, das aktiv durch solarbasierte Systeme Energie produziert und nicht nur verbraucht. Die Auswahl an erneuerbaren Energiesystemen, zur Versorgung mit Wärme und Strom, ist dabei groß. Zur Nutzung der Sonnenenergie können zum einen solarthermische Kollektoren eingesetzt werden, um Wärme zu gewinnen, und zum anderen eine Photovoltaik (PV) ‐Anlage zur Erzeugung von elektrischem Strom. In Kombination mit einer Wärmepumpe kann auch mit Hilfe der PV Wärme erzeugt und dann gespeichert werden. Nun stellt sich aber die Frage, welches Konzept der solaren Energieversorgung ist vorzuziehen? Der Schwerpunkt wird im Folgenden auf der Darstellung des Energiekonzeptes und des Betriebes des Pilotprojektes Berghalde (gefördert durch die Forschungsinitiative ZukunftBau und vom BBSR (über BMUB)) [2] sowie den wirtschaftliche und energetischen Ergebnissen der Studie im Rahmen des Forschungsprojektes future:solar (gefördert vom BMU) [1] liegen. Ein Kernpunkt der Forschungsprojekte sind die Systemkonfigurationen und Optimierungs‐
maßnahmen zur Steigerung des Eigenstromnutzungsanteils durch Umwandlung und Speicherung von Wärme. Hier wird u. a. die Bedeutung und Machbarkeit der Optimierung des Wärmepumpenbetriebes (Änderung von Regelstrategien, Betriebszeiten), die Nutzung von thermischen Speichermassen (Gebäudemasse) sowie die Größe und Umsetzung von Pufferspeichern analysiert und bewertet. Vorgehen und Projektziele Im Forschungsvorhaben future:solar werden umfassende Systemanalysen zum technischen und wirtschaftlichen Potential der Solarenergie für eine in der Jahresbilanz 50 % und 100 % erneuerbare Energieversorgung von Gebäuden und Stadtquartieren durchgeführt. In einer Parameterstudie werden die unterschiedlichen Ansätze für die Deckung des Wärme‐ und Strombedarfs auf ihre energetischen, ökologischen und ökonomischen Auswirkungen und die potentiellen Möglichkeiten zur regenerativen Versorgung validiert. Ziele der Forschung und Planung sollte sein 

Ganzheitliche Betrachtung des Gebäudebedarfs. Es darf nicht nur die Heizenergie und die Trinkwarmwasserbereitung beachtet werden, sondern auch der Stromdedarf (inkl. Haushaltstrom) muss aufgenommen und bewertet werden. Optimierung der Gebäude und des Energiebedarfs durch eine Reduzierung des Ener‐
giebedarfs als auch durch die effiziente Nutzung erneuerbarer Energien. Hier muss der Schnittpunkt und somit das Optimum beider Komponenten gefunden werden. (Abbildung 4) 28 T
Technologie
e 

50 % bis 10
5
00 % Decku
ung durch erneuerbare
e
e (solare) Energieverso
E
orgung von Gebäu‐
d
den (Gesam
mtenergiebeedarf ‐ Strom
m und Wärme). Hoher Eigen
nstromnutzzungsanteil:: Durch sinkkende Einsp
peisevergütungen und steigen‐
d Netzstromkosten spielt die Umsetzung eines hohen Eigenstrromnutzunggsanteils den bei Gebäud
den mit PV‐A
Anlage einee immer grö
ößere Rolle. Ab
bbildung 4: O
Optimierung des Energieb
bedarf und d
der Nutzung vvon erneuerrbaren Energgien Systemkonfiguration – Wirtscchaftliche EErgebnisse
Die vo
orgestellte Systemkon
nfiguration bezieht sich s
auf die im Fo
orschungsp
projektes future:ssolar [1] erarbeiteten Ergebnisse an einem Neubau eiines Einfam
milienhaus (EFH). (
In Abb. 2 sind die im
m Projekt untersuchten Varianten
n und Enerrgiekonzeptte zur Deckkung des Gesamttenergiebed
darfs für Wärme W
und
d Strom (5
50 % und 100 % 1
erneeuerbare Energien) dargestellt. Von deen sechs Varianten so
ollte die Variante „Bio
omasse+ST++PV“ausgescchlossen Heutzutagee werden beereits Holz // Peletts werden, da Biomassse eine beegrenzte Ressource ist. H
m den Bedaarf an Biom
masse zu aus unsseren Nachbarländern nach Deuttschland importiert, um
decken.. Die Varianten „BHKW“ und „FFernwärmee“ sind enerrgetische gu
ut und sinnvoll, jedoch
h nur für Mehrfamilienhäuseer, Nichtwo
ohngebäude und Quaartiere anzu
uwenden. FFür die Um
msetzung der Ferrnwärme in
n EFH würd
den hohe Anschlussve
A
erluste und
d eine groß
ße Anzahl an a Netz‐
anschlüsse notwen
nig werden bzw. anfallen. Beim B
BHKW fallen
n im EFH kaum Laufze
eiten an, so dass es nicht voll ausgenutzzt würde un
nd nicht effizient arbeitet. Über die Variante „Heizstab“ hingegen isst zu diskuttieren. Die V
Variante istt für Power to Heat geeigneet, aber mit den heuttigen Strom
mkosten fraagwürdig im
m Betrieb. Mit dem Heizstab H
würde d
die elektriscche Energiee 1:1 in Wäärme umgessetzt werdeen. Ohne die Nutzung des PV‐
Stroms würden über die näächsten 20 Jahre sehr hohe Eneergiekosten
n anfallen, dies ist indiskuttabel. 29 T
Technologie
e Abb
bildung 5: Un
ntersuchte En
nergieversorrgungsvarian
nten (ST – Solarthermie, P
PV‐Photovoltaik) PV“ und Für diee wirtschafttliche Betraachtung weerden somit die Variante „Gaskkessel+ST+P
„Wärmeepumpe + P
PV“ näher b
betrachtet. Bis zu einem 50‐p
prozentigen
n Anteil erneuerbarerr Energie am Gesamtenergiebed
darf sind beide Systemvaria
S
nten wirtscchaftlich gleeichwertig. Erst bei deer 100 % V
Variante zeiggen sich die wirttschaftlichen Untersch
hiede durch die notwendige Vergrößerung d
der Kompon
neneten. Für Variiante 1 würrde ein „Son
nnenhaus“ u
umgesetzt w
werden müssen. Dies h
hängt damitt zusam‐
men, daass bei der ersten Sysstemvariantte eine überproportion
nale Vergrö
ößerung der Kollek‐
torfläch
he (4‐fach) und des Pu
ufferspeicheervolumenss (10‐fach) erforderlich
e
h wäre. Die
e Investi‐
tionskossten für diee Variante 1 würden sich verdop
ppeln (Abb
bildung 6). IIn der Variante 2 ‐ Wärmepumpe, wu
urde die teeurere Umssetzung mitt Erdsonden
n als Wärm
mequelle an
ngenom‐
men. Die Umsetzung einer Lu
uft‐Wasser‐Wärmepum
mpe würde noch einmal deutlich weniger Investitionskosten verursacheen und die D
Differenz vo
on Variantee 1 und 2 errhöhen. Beii der Va‐
riante 2
2 erhöhen ssich die Inveestitionskossten nur ge
eringfügig au
ufgrund der nun notw
wendigen größereen PV‐Anlagge (von 3 kW
Wp auf 6 kW
Wp). Auch in den Jahressgesamtkossten spiegelt sich der U
Unterschied
d der Varian
nte 1 zu Vaariante 2 in 50 %
% und 100 % Deckungg wieder. Hier H
sind deutlich d
diee erhöhten
n Kapitalkossten für Variantee 1 100 % zu erkenn
nen, die sicch durch die Erweiterrung des K
Kollektorfeld
des und Puffersp
peichers auswirken (Ab
bbildung 7). 30 T
Technologie
e Abbildung 6
6: Vergleich V
Varianten 1und 2 ‐ Investtitionskosten
n A
Abbildung 7: Vergleich Vaarianten 1 un
nd 2 ‐ Jahresggesamtkosteen Systemsimulatione
en – Param
metersimulation/ ‐studie Im Rahmen des Projektes P
Beerghalde [2
2] werden verschieden
v
ne Systemkkonfiguratio
onen zur ung des Eiggenstromnu
utzungsanteeils erarbeiitet und mit dem Sim
mulationsprogramm Steigeru
TRNSYS simuliert. D
Dabei sieht das Konzep
pt zur Umse
etzung von PV to Heat vor, dass m
möglichst om von derr PV‐Anlage vor Ort genutzt wird und somit d
die Eigenstrromnutzungg erhöht viel Stro
wird. 31 Technologie Die Umsetzung der Speicherung von PV‐Strom in Wärme soll erfolgen durch: 
Nutzung aller verfügbaren thermischen Speicherkapazitäten, wie die Fußboden‐
heizung und die Warmwasserspeicher/ Pufferspeicher im Gebäude. 
PV‐Überschussregelung: Bei einem PV‐Überschuss von >3 kW wird die Wärmepumpe in Betrieb genommen und o die Temperatur im Pufferspeicher erhöht, so dass eine Steigerung des Spei‐
cherpotentials erzielt wird und somit die Generierung eines ausreichenden Wärmespeichers für die Zeit ohne Stromertrag erfolgen kann. o die Sollwert der Oberflächen‐ und Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung erhöht, so dass eine Nutzung der baulichen Speichermassen als Zwischen‐
speicher erfolgen kann. Die Wärme wird in den raumumgebenden massiven Bauteilen gespeichert und wirkt so einem Abfall der Temperatur in den Abend‐ und Nachtstunden unter der Komfortgrenze entgegen. 
eine Pufferspeichererweiterung, ein zweiter Pufferspeicher (700 l) wird zu dem bereits vorhandenen Pufferspeicher (825 l) zugeschaltet und das Speichervolumen gekoppelt. Das Volumen vergrößert sich somit von 825 l auf 1.525 l. Der Nutzerkomfort soll durch die geplanten Maßnahmen nicht eingeschränkt werden. Eine Auswahl der Ergebnisse der verschiedenen Komponentenvarianten wird in Abb. 5 dargestellt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass durch den Einsatz der verschiedenen Komponenten (Batterie, Pufferspeicher, etc.) der PV‐Eigennutzungsanteil von 27 % (Basis) auf knapp 50 % und der PV‐Deckungsanteil (Verhältnis von Eigennutzung des selbst produzierten PV‐Stroms zum Betrag der PV‐Produktion) von 34 % (Basis) auf 55 % gesteigert werden kann. Des Weiteren kann der Stromanteil aus Netzbezug bei Einbindung und Umsetzung der Varianten um bis zu 28 % gesenkt werden. Durch die Maßnahmen wird jedoch der Strombedarf insgesamt um bis zu 4,5 % ansteigen. Dies beruht auf der erhöhten Laufzeit der Wärmepumpe sowie der höheren Vorlauftemperatur der PV‐Regelung. 32 Technologie Abbildung 8: Systemsimulation am Beispiel Berghalde Ein Vergleich der Kosten von thermischer Speicherung zu elektrischer Speicherung ist in Ta‐
belle 1 dargestellt. In den beiden aufgeführten Umsetzungen soll jeweils über die Umsetzung von thermischen sowie elektrischen Speichern ein PV‐Deckungsanteil von 45 % bzw. 50 % erzielt werden. Die Varianten (Var. 1 und Var. 2) unterscheiden sich dabei in der Größe des elektrischen und thermischen Speichers. Es ist festzustellen, dass bei einem PV‐Deckungs‐
anteil von 45 % die elektrische Speichervariante 37 % teuer ist als die thermische Speicher‐
variante. Bei einem PV‐Deckunganteil von 50 % erhöht sich die Differenz auf 51 %. [3] Tabelle 1: Kostenvergleich thermische / elektrische Speicherung (Kosten inkl.: PV‐Anlage, Blei‐Säure Batteriesystem, Pufferspeicher und zusätzlich umbautes Raumvolumen bei Vergrößerung des Spei‐
chers) 33 Technologie Monitoring – Ergebnisse Bei dem integralen Gebäudekonzept der Berghalde wird das Zusammenspiel von Archi‐
tektur, Bauphysik und einer energieeffizienten Gebäudetechnik zur Wärme‐ und Strom‐
versorgung vereint. Neben der regenerativen Energieerzeugung über eine erdgekoppelte Wärmepumpe sowie einer dachintegrierten PV‐Anlage steht eine hohe solare Eigenstrom‐
nutzung im Mittelpunkt des Projekts, wodurch das öffentliche Stromnetz entlastet wird. Grundgedanke des Energiekonzeptes ist eine Versorgung der elektrischen Verbraucher über die Photovoltaikanlage (15 kWp, 120 m²), die vollflächig auf dem 17° geneigten Pultdach installiert ist. Der produzierte Strom deckt tagsüber in erster Linie den anfallenden Strom‐
bedarf im Gebäude und wird zusätzlich in zwei Batterien (7 kWh und 20 kWh) gespeichert, um in den Abendstunden u. a. die künstliche Beleuchtung zu versorgen. Neben der vor‐
rangigen Direktstromnutzung wird der solar erzeugte Strom auch für das Elektroauto ver‐
wendet. Erst dann wird ein weiterer Überschuss in das öffentliche Netz eingespeist. Die Wärmeversorgung erfolgt über eine erdgekoppelte elektrische Wärmepumpe in Kombi‐
nation mit drei Erdsonden mit jeweils 100 m Länge. Die Wärmeübergabe im Gebäude erfolgt über eine Fußbodenheizung sowie zusätzlichen Heizkörpern in den Bädern. Der hygienische Luftwechsel wird durch eine mechanische Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung sicher‐
gestellt. Angesaugt und vorkonditioniert wird die Außenluft über einen Erdreichwärme‐
tauscher (Abbildung 9). Abbildung 9: Energiekonzept Demonstrationsgebäude Berghalde In Abbildung 10 ist der über die PV‐Anlage produzierte und im Haus genutzte sowie vom Netz bezogene und eingespeiste Strom dargestellt. Liegt der solare Deckungsanteil am Gesamtstromverbrauch in 2011 bei 32 %, so konnte dieser 2012 infolge der Veränderungen und der Optimierungen auf 48 % gesteigert werden. Aufgrund des schlechteren PV‐Ertrags 34 Technologie und dem gestiegenen Stromverbrauch sowie dem Wegfall der 20 kWh‐Batterie, lässt sich 2013 nur ein Deckungsanteil von 34 % erzielen. 2014 konnte der Einbruch von 2013 wieder durch einen guten Solarertrag aufgefangen werden und der Deckungsanteil steigt auf 43 %. Der von der PV‐Anlage produzierte Strom konnte 2011 zu 18 % selbst genutzt werden (PV‐
Eigennutzungsanteil). In den Jahren von 2012 bis 2014 konnte der Eigenstromdeckungsanteil auf 33 % bzw. 30 % angehoben werden. In 2011 ergibt sich ein bilanzieller Überschuss von 80 %. Aufgrund der monovalenten Ver‐
sorgung durch die Wärmepumpe in 2012 in Verbindung mit der Erhöhung des Eigenstrom‐
nutzungsanteils verringert sich der Überschuss auf 44 % und in 2013 nochmals auf 13 % (geringe Globalstrahlung). 2014 wird durch den üblichen PV‐Ertrag ein EnergiePlus von 44 % erzielt. [2] Abbildung 10: Monitoring Ergebnis – Jahresbilanz elektrische Energie und Eigenstrom‐Nutzungs‐
anteile 2011 – 2014 Fazit Solarthermie und Photovoltaik sind wichtige Bausteine der Energiewende. Die Schlüsselrolle kommt dabei der Photovoltaik in Kombination mit einer Wärmepumpe und einem Nieder‐
temperatur‐Heizsystemen zu. Die Voraussetzung für zukunftsweisende Projekte und Anlagen stellt ein hoher Eigenstrom‐
nutzunganteil dar. Die Nutzung von thermischen Speichern zur Steigerung des Eigenstrom‐
nutzungsanteils ist dafür wesentlich. Die Umsetzung erfolgt durch den Ausbau von Puffer‐
35 Technologie speichervolumen sowie der Nutzung der vorhandenen thermischen Gebäudemasse. Aber auch Stromspeicherung und ein intelligentes Energiemanagement sind von hoher Bedeu‐
tung. Bei der Gegenüberstellung einer thermischen zu einer elektrischen Speicher der PV‐Über‐
schüsse ist festzustellen, dass die Nutzung des Batteriespeichersystems für die Strom‐
speicherung derzeit zu kostenintensiv ist. Thermische Speicher sind in der Regel ohnehin vorhanden und deren Vergrößerung ist wesentlich preisgünstiger als die adäquate Energie‐
bevorratung in einer Batterie. Autoren Dipl.‐Ing. Franziska Bockelmann Univ. Prof. Dr. M. Norbert Fisch TU Braunschweig Institut für Gebäude‐ und Solartechnik (IGS) Mühlenpfordtstraße 23, 38106 Braunschweig e‐mail: [email protected]‐bs.de Literatur [1] [2] [3] Schlosser, Reiser, Kellner, Fisch: „future:solar ‐ Systemanalyse zur solaren Energieversor‐
gung“, Abschlussbericht (in Bearbeitung), BUMB (Förderkennzeichen: 0325990A). 2014 Bockelmann, Kley, Fisch, Wilken: „Betriebsstrategien für EnergiePLUS‐Gebäude am Beispiel der Berghalde“, laufendes Forschungsprojekt, Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundes‐
institutes für Bau‐, Stadt‐ und Raumforschung (Aktenzeichen: SWD‐10.08.18.7‐13.33). 2015 Kley: „EnergiePlus – Gebäude, Systemuntersuchung für eine 100 % erneuerbare Energiever‐
sorgung“, Masterarbeit, TU Braunschweig und Hochschule Biberach. 2012 36