25. Symposium Thermische Solarenergie, OTTI, Bad Staffelstein, 06. 08.05.2015 Solarwärmepumpensystem als aktives Ausgleichelement im Erneuerbare Energien-Stromnetz ein Modelltest Ulrich Leibfried 1), Tillman Faßnacht 2), Christian Glück 2) 1) Consolar Solare Energiesysteme, Gewerbestr. 7, 79539 Lörrach Tel.: 07621/42228-30, Fax: 07621/42228-31 E-Mail: anfragen@consolar.de, Internet: www.consolar.de 2) Fachgebiet Bauphysik und Technischer Ausbau (fbta), KIT, Karlsruhe Englerstraße 7, 76131 Karlsruhe Tel.: +49 721 608 45867, Fax: +49 721 608 46092 E-Mail: {tillman.fassnacht, christian.glueck}@kit.edu Einleitung: Typische Solarwärmeanlagen decken nur einen Teil des Wärmebedarfs für Heizung und Warmwasser ab. Der Restenergiebedarf wird durch fossile Energieträger (Öl, Gas), durch Biomasse oder über Strom (in der Regel über Wärmepumpen) bereitgestellt. Aufgrund des immer größeren Anteils an Strom aus erneuerbaren Energiequellen im deutschen Stromnetz könnten aus Sicht der CO 2 -Jahresbilanz strombasierte Heizsysteme immer interessanter werden. Tatsächlich stagnierten allerdings die strombedingten CO 2 -Emissionen seit 2006 nahezu [1], wobei eine Ursache hierbei die Verschiebung von Atomstrom zu Kohlestrom seit 2011 ist. Abbildung 1: Höhe der CO2-Emissionen durch die Stromerzeugung in Deutschland von 1990 bis 2013 (in Millionen Tonnen), entnommen aus [1].
2 Strombasierte Heizsysteme als Lösung für die Wärmeenergiewende? Es besteht ein Dissens in der Fachwelt, ob der verstärkte Einsatz strombasierter Heizsysteme im Rahmen der Energiewende wirklich sinnvoll ist, weil eine zukünftige Reduktion der CO 2 -Emissionen zu erwarten ist, oder ob bei einer starken Verlagerung des Strombedarfs in den Winter durch sukzessive Umstellung auf elektrisch betriebene Heizsysteme der Bedarf an Strom, der durch Kohlekraftwerke gedeckt werden muss, steigt. Abbildung 2 zeigt die monatlich aufgelösten Treibausgas- (THG)-Emissionen für die Stromproduktion in Deutschland, die in [2] für 2011 und 2012 sowie extrapoliert für 2020 bestimmt wurden. Abbildung 2: THG-Emissionen monatlich aufgelöst für 2011, 2012 und 2020 (extrapoliert), entnommen aus [2]. Die monatlichen Schwankungen um den Mittelwert sind klein (5 % - 8 %), es kann kein ausgeprägter Unterschied zwischen Sommer und Winter beobachtet werden. Der zeitlich relativ einheitliche Verlauf der Emissionen liegt an der Asynchronität der PV- (Sommer) und Windstromproduktion (Winter). Aus diesen Daten kann abgeleitet werden, dass im Mittel bei der Umwandlung von Strom zu Wärme mit einer Effizienz, die auch im Winter zu geringerem CO 2 -Ausstoß führt als bei direkter Verbrennung von Gas in einem Brennwertgerät, die strombasierte Bereitstellung des restlichen Heizbedarfs zumindest nicht kontraproduktiv ist. Diese Betrachtungsweise gilt allerdings nur, solange die Energiemengen die von dezentral genutzten fossilen Energieträgern zu Kraftwerken verschoben werden, nicht ein Maß überschreiten, das den verstärkten Verbrauch von fossilen (und ggf. durch Importstrom nuklearen) Energieträgern für Kraftwerke zur Folge hat. Weiter sind die Treibhausgasemissionen bei der Stromerzeugung im monatlichen Mittel über das Jahr zwar relativ konstant, doch gibt es im Winter immer wieder längere Perioden mit sehr geringem, bis gar keinem Wind- und Strahlungsangebot. Es ist bislang ungeklärt, wie die Stromversorgung zu diesen Zeiten bei einer wachsenden Zahl von Wärmepumpen und einer zukünftigen im Wesentlichen auf regenerativer Stromerzeugung basierenden Stromversorgung sichergestellt werden kann. Abbildung 3 zeigt deutlich, dass der Wärme-Endenergieverbrauch Deutschlands in den Winter-
25. Symposium Thermische Solarenergie, OTTI, Bad Staffelstein, 06. 08.05.2015 monaten um ein Vielfaches die im Winter erzeugten regenerativen Strommengen übersteigt. Insofern ist die Deckung des aktuellen Wärmebedarfs über strombasierte Systeme zumindest in den kommenden Jahren nur zu einem begrenzten Anteil denkbar. Sachlich nicht nachvollziehbar ist deswegen, warum die Politik den Ausbau strombetriebener Heizungen überdurchschnittlich fördert, indem von 2006 bis 2016 in der für das Bauwesen maßgeblichen Energieeinsparverordnung der Primärenergiefaktor für Strom von 3,0 auf 1,8 um 40 % reduziert wurde, während real der Primärenergiefaktor 1 bis 2014 zwar um 30 % auf 2,1 gesunken ist [3], der für das Klima entscheidende CO 2 -Ausstoß aber stagniert (siehe Abbildung 1). Auch bei der ErP-Energielabel- Einstufung von Wärmepumpen, wo Luft-Wärmepumpen i. d. R. in Verbindung mit dem Regler die A++ und A+++-Bewertung erreichen, gibt es eine Diskrepanz zu realen Feldtestergebnissen [4]. Die Perspektive zur Bewältigung der Herausforderung der Energiewende im Wärmebereich liegt aus Sicht der Autoren in der massiven Reduzierung des Heizwärmebedarfs im Gebäudebestand, in der verstärkten Nutzung lokal erzeugter erneuerbarer Wärmeenergie wie aktive und passive Solarnutzung, Biomasse und auch in Wärmepumpensystemen, allerdings nur bei kontrollierter hoher Effizienz und bevorzugt mit erneuerbar produziertem Strom betrieben. Eine steigende Rolle werden Hybridlösungen spielen, z. B. die Nutzung von Solarwärme und Solarstrom in Verbindung mit Wärmepumpen kombiniert mit einem weiteren Wärmeerzeuger wie Biomasse/Biogas, oder Solarwärme mit Kraftwärmekopplung. Dies sind Lösungen bei denen durch das Heizsystem kein zusätzlicher Bedarf an konventionell erzeugtem Strom induziert wird. Speicherbare erneuerbare Energieträger wie Biomasse und Biogas sollten nur soviel, wie notwendig verfeuert werden, nämlich wenn die Bedarfsdeckung durch Solarenergie nicht möglich ist. Rolle von Speichern und Ausgleichselementen In der energiepolitischen Diskussion werden Energiespeicher oft als Schlüsselelemente der Energiewende angesehen. Hierbei ist allerdings zu unterscheiden, um welche Speicherzeiträume es geht. Eine saisonale Speicherung der Energiemengen vom Sommer in den Winter, die für die aktuellen Wärmeverbräuche benötigt würden (vergleiche Abbildung 3), ist bei den heutigen Speichermöglichkeiten und -kosten unrealistisch. 1 Nichterneuerbarer Anteil des Kumulierten Energieaufwands (KEA)
4 Abbildung 3: Gesamt-Endenergieverbrauch in Deutschland, vereinfachter Jahresverlauf mit Legende zur Stromproduktion. Abschätzung und Darstellung der Stiftung Energieeffizienz [5]. Strom ist vereinfacht anhand der Stromproduktion gem. [6] veranschaulicht. Verlauf Verkehr gem. [7], Wärme ohne Prozesswärme gem. [8], Prozesswärme und Warmwasser als konstant angenommen. Wenn Stromversorger und Fachleute heute im Zusammenhang mit zunehmend erneuerbar produzierter elektrischer Energie über Bedarf an Ausgleichselementen wie Speicher oder Smart Grid sprechen, dann geht es um den Ausgleich kurzfristiger Schwankungen im Viertelstunden- bis Tagesbereich, ggf. auch um Zeiträume im Wochenbereich, um längere windstille Perioden überbrücken zu können. Hier bietet die Kopplung der Wärmeversorgung mit der Stromversorgung für den Strommarkt den Vorteil, als Regel- und Speicherelement zur Verfügung zu stehen. Für diesen Ausgleich werden oft Smart Grid -Lösungen diskutiert. Besteht im Smart Grid aber nur der Zugriff auf elektrische Verbraucher, im Haushalt also auf wenige Haushaltsgeräte wie Spül- und Waschmaschine sowie Wäschetrockner, so sind die Möglichkeiten sehr begrenzt. Das Smart Grid wird nur dann eine reale Bedeutung bekommen, wenn signifikant zur Verbrauchsbilanz beitragende Stromverbraucher eingebunden werden können. Diese müssen zusätzlich verlässlich automatisch ge-
25. Symposium Thermische Solarenergie, OTTI, Bad Staffelstein, 06. 08.05.2015 schaltet werden können. Dies ist neben industriellen Verbrauchern vor allem bei Heizungen und Warmwassererzeugern der Fall. Energiemanagement zur Maximierung der lokal erzeugten regenerativen Wärmeversorgung Zielsetzung des mit Fördermitteln des BMWi durchgeführten Projektes Sol2Heat [9], [10], das von Consolar, dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) 2 und einem Ingenieurbüro für Mikroelektronik und Automatisierungstechnik bearbeitet wird, ist es, auf Basis des Solarwärmepumpensystems SOLAERA, durch intelligente Kombination mit lokal erneuerbar erzeugtem Strom (i. d. R. PV, aber auch z. B. Kleinwindkraft), den Anteil an erneuerbarer Energie für die Wärme- und Stromversorgung bei dem bereits effizienten System [11] weiter zu erhöhen. Hierfür nutzt das System einen Wärmespeicher und die thermische Speichermasse des Gebäudes, um eine Phasenverschiebung zwischen Angebot an Solarstrom und wärme und Heizwärmebedarf auszugleichen. Abbildung 4: Simulierte Leistungsaufnahme der Wärmepumpe von SOLAERA und PV-Stromproduktion an einem Tag. Durch einen Energiemanager kann der Betrieb der Wärmepumpe auf die Zeiten der Stromproduktion, in denen auch die Wärmeversorgung für die Wärmepumpe besser ist, verschoben werden. Es wurde ein Energiemanager entwickelt, der auf der Basis des gemessenen Stroms, der vom Netz in das Gebäude fließt oder in das Netz eingespeist wird und des aktuellen Speicherzustands, steuert, ob die Wärmepumpe auf Vorrat heizt. Aufgrund der Messung des Nettostroms zum Netzanschluss ist das System unabhängig 2 Fachgebiet Bauphysik & Technischer Ausbau, http://fbta.ieb.kit.edu/ Im Unterauftrag zusätzlich das Forschungszentrum Informatik (FZI) in Karlsruhe.
6 vom eingesetzten Wechselrichter und berücksichtigt auch den Stromverbrauch im Haushalt (vergleiche Abbildung 5). Energiemanagement unter Nutzung überregional erzeugten regenerativen Stroms Neben der direkten Nutzung lokal erzeugten Stroms für die integrierte Wärmepumpe kann das System auch eingesetzt werden, um ein überregional, d. h., im Stromnetz verfügbares (Über-)Angebot an erneuerbar erzeugter elektrischer Energie zu nutzen. Hierfür wird im Rahmen des Sol2Heat-Projekts ein Energiemanagement entwickelt, das mit dem Energieversorger kommunizieren kann [12], [13]. Die Solar- Wärmepumpen-Heizung kann dann nicht nur lokal erzeugten (PV-)Strom vorzugsweise direkt nutzen, sondern auch einen zeitvariablen Stromtarif zum optimierten Betrieb der integrierten Wärmepumpe berücksichtigen. Ist Strom preisgünstig, so kann das System auf Vorrat in den Wärmespeicher heizen und umgekehrt bei hohen Strompreisen aus dem Wärmespeicher die Versorgung sicher stellen. Idealerweise spiegelt das Preissystem das Angebot an eingespeistem Strom aus erneuerbaren Quellen wider. Der Systemregler kommuniziert über ein Internetportal mit dem Energieversorger. Dieser übermittelt eine Vorschau des Stromtarifs für die Stunden des kommenden Tages. Dies ist ein Zeitraum, für den die zu erwartende Produktion von Wind- und Solarstrom recht genau vorher gesagt werden kann. Hybridkollektor PV Heizung + WW Wechselrichter Stromzähler SOLAERA Waschmaschine Wäschetrockner Spülmaschine s Energiemanag. Wetterprognose Tarifvorschau Abbildung 5: Prinzipschema SOLAERA mit Sol2Heat-Energiemanagement zur maximierten Deckung des Strom- und Wärmeverbrauchs aus Solarenergie (Solarwärme und strom) sowie zum kostenoptimierten Betrieb über einen zeitvariablen Stromtarif 11
25. Symposium Thermische Solarenergie, OTTI, Bad Staffelstein, 06. 08.05.2015 Der Regler berechnet unter Berücksichtigung einer Wettervorhersage den voraussichtlichen Heizwärmebedarf. Er ist selbstlernend und sagt auf diese Weise nicht nur den Heizverbrauch, sondern auch den voraussichtlichen Warmwasser- und Haushaltsstrombedarf voraus. In Verbindung mit dem prognostizierten Solarwärme- und Stromertrag ermittelt der Regler die optimalen Betriebszeiten des Heizsystems und auch die optimalen Zeitfenster für andere schaltbare Haushaltsverbraucher wie Waschmaschine und Wäschetrockner. Die Information über das vorhergesagte Verbrauchsprofil wird an den Energieversorger zurück übermittelt und das System wird entsprechend betrieben. Für den Energieversorger und ein Stromnetz mit zunehmend erneuerbarem Anteil ergibt sich ein doppelter Nutzen: 1. Der Verbrauch wird an das Angebot angepasst. 2. Der Energieversorger kann den Stromverbrauch genauer planen und die Kraftwerke entsprechend betreiben bzw. den Strombezug an der Börse für den kommenden Tag optimieren. Automatische Anlagenüberwachung Der SOLAERA-Systemregler kommuniziert falls er an das Internet angeschlossen wird serienmäßig mit einem Internetportal. Dies ermöglicht nicht nur den oben beschriebenen Datenaustauch (Wetterprognose, zeitvariabler Stromtarif), sondern erlaubt auch die Überwachung der Anlage: der Besitzer kann einfach aufbereitet und auch über mobile Endgeräte die täglichen oder summierten Erträge und Verbräuche abrufen. Weiterhin können neben der im Regler integrierten Funktionsüberwachung im Portal Überwachungsalgorithmen hinterlegt werden, mit denen schnell erkannt wird, falls die Anlage nicht ordnungsgemäß arbeiten sollte. Auf diese Weise wird eine Qualitätssicherung des Anlagenbetriebs ermöglicht. Ausblick: Modelltest In einem Modellvorhaben zusammen mit dem südbadischen Energieversorger Energiedienst wird seit September 2014 Testkunden für das innovative Heizsystem ein zeitvariabler Stromtarif angeboten. Die Erprobung eines solchen Stromtarifs in der Praxis ist für den Energieversorger sehr wertvoll, da er davon ausgeht, dass sich solche Stromtarife in Zukunft am Markt etablieren werden. Im Frühjahr 2015 wurde die erste SOLAERA-Anlage mit dem neu entwickelten Energiemanager und mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet. Im Laufe des Jahres 2015 sollen alle Testanlagen realisiert und mit dem zeitvariablen Modelltarif in Betrieb gehen.
8 Abbildung 6: Mit SOLAERA beheiztes Haus: Das Dach mit PV-Modulen gedeckt, an der Fassade 4 Hybridkollektoren zur direkten Wärmeerzeugung im Sommer und als alleinige Wärmequelle der im System integrierten Wärmepumpe im Winter Literatur [1] Statista das Statistik-Portal: http://de.statista.com/statistik/daten/studie/38893/ umfrage/co2-emissionen-durch-stromerzeugung-in-deutschland-seit-1990/, August 2014 (zuletzt abgerufen am 14.03.2015) [2] Großklos, M.; Frank, M.: Monatlicher Verlauf des kumulierten Energieverbrauchs und der Treibhausgas-Emissionen im deutschen Strommixes, In: Energiewirtschaftliche Tagesfragen (2013), Nr. 64, S. 32-35 [3] Großklos, M.: Kumulierter Energieaufwand und CO2-Emissionsfaktoren verschiedener Energieträger und versorgungen, Institut Wohnen und Umwelt GmbH (IWU) http://www.iwu.de/fileadmin/user_upload/dateien/energie/werkzeuge/kea.pdf [4] Heizen mit Umweltwärme und Strom, Ergebnisse des 7-jährigen "Feldtests Wärmepumpen", Bericht der Lokalen Agenda 21 Gruppe Energie der Stadt Lahr (Schwarzwald), www.agenda-energie-lahr.de/leistungwaermepumpen.html (zuletzt abgerufen am 14.03.15) [5] Stiftung Energieeffizienz, www.stiftung-energieeffizienz.org, Energiewende Richtig machen, Köln, Januar 2015, noch nicht veröffentlicht
25. Symposium Thermische Solarenergie, OTTI, Bad Staffelstein, 06. 08.05.2015 [6] Burger, B.: Stromerzeugung aus Solar- und Windenergie im Jahr 2013, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Freiburg, 03.04.2014 http://www.ise.fraunhofer.de/de/downloads/pdf-files/aktuelles/stromproduktion-aussolar-und-windenergie-2013.pdf (zuletzt abgerufen am 14.03.15) [7] SenStadtUm (Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umweltschutz Berlin) (Hrsg.) 1995: Umweltatlas Berlin, aktualisierte und erweiterte Ausgabe 1995, Bd. 3, Karte 07.01 Verkehrsmengen. http://www.stadtentwicklung.berlin.de/umwelt/umweltatlas/el309.htm (zuletzt abgerufen am 14.03.15) [8] Dr. Thorsten Ebert, Städtische Werke AG: Technische und ökonomische Verknüpfung des regionalen Strom- und Wärmemarktes, Energiewende Nordhessen, 24. September 2013. http://www.sw-kassel.de/fileadmin/stw/dokumente/news/2013/energiewende_nordhessen_sun_2013.pdf (zuletzt abgerufen am 14.03.15) [9] Projekt Sol2Heat: Intelligente Erzeugung und Speicherung von Solarwärme und - strom zur Realisierung hoher solarer Deckungsanteile und zum Lastmanagement. http://fbta.ieb.kit.edu/182_557.php (zuletzt abgerufen am 14.03.2015) [10] Glück, C.; Faßnacht, T.; Leibfried, U.: Simulationsstudie zur Integration von PV- Modulen und PVT-Kollektoren in ein Solar-Wärmepumpensystem, 24. OTTI Symposium Thermische Solarenergie, 07.-09. Mai 2014, Kloster Banz, Bad Staffelstein [11] Die Energieeffizienz der Solaren-Wärmepumpe Nr. 2401 in einem Einfamilienhaus in Gottenheim/Kaiserstuhl (Südbaden), Bericht der Lokalen Agenda 21 Gruppe Energie der Stadt Lahr (Schwarzwald) im Rahmen der Phase 2 Innovative Wa rmepumpensysteme des Feldtests Wa rmepumpen, Juli 2014, http://www.agenda-energie-lahr.de/ph2_solarwp-got.html (zuletzt abgerufen am 14.03.15) [12] Loesch, M.; Hufnagel, S.; Steuer, S.; Faßnacht, T.; Schmeck, H.: Demand Side Management in Smart Buildings by Intelligent Scheduling of Heat Pumps, IEEE PES International Conference on Intelligent Energy and Power Systems (IEPS), 02.-06. Juni 2014, Kiew, Ukraine [13] Faßnacht, T.; Loesch, M.; Wagner, A.: Simulation Study of a Heuristic Predictive Optimization Scheme for Grid-reactive Heat Pump Operation, International REHVA Advanced HVAC & Natural Gas Technologies Conference, 06.-09. Mai 2015, Riga, Lettland, angenommener Beitrag, noch nicht veröffentlicht
10 Danksagung Das Projekt Intelligente Erzeugung und Speicherung von Solarwärme und -strom zur Realisierung hoher solarer Deckungsanteile und zum Lastmanagement, Akronym Sol2Heat, wird gefördert durch die Bundesrepublik Deutschland, Zuwendungsgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages (Förderkennzeichen 0325539A und 0325539B). Herzlichen Dank hierfür!