Erneuerbare Energien

Energieversorgung mit Wärmepumpen im Quartier

Text: Dr. Tobias Ohrdes, Michael Knoop, Elisabeth Schneider | Foto (Header): © DedMityay – stock.adobe.com

Der Ausbau von PV- und Windkraftanlagen schreitet immer weiter voran, sodass inzwischen mehr als 45 % des Stroms in Deutschland aus erneuerbaren Energien erzeugt wird [1]. Der Stromverbrauch hat in privaten Haushalten lediglich einen geringen Anteil am Endenergieverbrauch. 83 % der Endenergie entfallen auf Raumwärme und Trinkwarmwassererzeugung [2]. Der Anteil erneuerbarer Wärme am Endenergieverbrauch in privaten Haushalten beträgt derzeit 14 % [3]. Eine Kopplung von Strom- und Wärmeverbrauch über eine effiziente, auf erneuerbar erzeugtem Strom basierende Wärmeversorgung bietet daher Chancen, den Anteil nachhaltig zu erhöhen.

Auszug aus:

EnEV Baupraxis
Fachmagazin für energieeffiziente Neu- und Bestandsbauten
Ausgabe Januar / Februar 2020
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Einen wichtigen Baustein für eine erneuerbare Energieversorgung in Gebäuden bildet die Wärmepumpe. Wärmepumpen beziehen den Großteil der Heizwärme aus der Umwelt, wie z. B. der Luft, dem Grundwasser oder dem Erdreich. Um die Umweltenergie für die Gebäudeheizung nutzbar zu machen, wird ein geringer Anteil an Strom benötigt. Je nach Umweltenergiequelle kann eine Wärmepumpe unter Einsatz 1 kWh Strom auf diese Weise 3 bis 5 kWh Wärme erzeugen, wie in Bild 1 schematisch dargestellt.

Die momentane Effizienz einer Wärmepumpe wird durch die Leistungszahl (Coefficient of Performance/COP) angegeben. Sie setzt die abgegebene Wärmeleistung ins Verhältnis zur benötigten elektrischen Leistung. Der COP ist stark abhängig von der Temperatur der Wärmequelle einerseits und der Temperatur der Wärmesenke andererseits, wie z. B. das Wärmeverteilsystem im Gebäude. Je geringer die Differenz zwischen Quellen- und Senkentemperatur ist, desto effizienter kann die Wärmepumpe arbeiten. Da Quellen- und Senkentemperaturen im Jahresverlauf variieren, wird zur Effizienzbewertung in Anwendungen üblicherweise die Jahresarbeitszahl (JAZ) betrachtet. Die JAZ setzt die erzeugte Wärmemenge ins Verhältnis zur aufgewendeten elektrischen Energie und bildet somit ein energetisch gewichtetes Mittel des COP. Je größer die JAZ, desto effizienter ist die Wärmepumpe und entsprechend geringer der Stromverbrauch. Hohe Quellen- und niedrige Senkentemperaturen steigern die JAZ. Als Wärmeverteilsystem im Gebäude bieten sich daher Flächenheizungen wie Fußbodenheizungen an, da diese mit vergleichsweise geringeren Vorlauftemperaturen von bis zu 35 °C arbeiten.

Auch auf der Quellenseite gibt es verschiedene Optionen für Umweltwärmequellen: Bei der Nutzung von Erdwärme werden regelmäßig höhere Arbeitszahlen erreicht im Vergleich zur Nutzung der Außenluft. Das liegt daran, dass die Temperatur der Erdwärme über das gesamte Jahr relativ konstant ist. Ein auf dieses Temperaturniveau abgestimmtes Wärmepumpensystem kann das ganze Jahr über effizient arbeiten. Eine Luft-Wärmepumpe ist wiederum der Außentemperatur ausgesetzt, sodass die Quelltemperatur gerade im Winter gering ist. Wenn die Wärmepumpe gegen eine höhere Temperaturdifferenz arbeiten muss, benötigt sie mehr elektrische Energie, wodurch die JAZ sinkt. Mit Luftwärmepumpen werden im Durchschnitt JAZ von drei erreicht, mit Erdreichwärmepumpen JAZ von vier bis fünf [4].

Aufgrund der Nutzung von Umweltenergie bieten Wärmepumpen erhebliches Potenzial zur Reduzierung der CO2-Emissionen der Gebäudeheizung im Vergleich zu fossil betriebenen Heizungen mit Öl oder Gas. Diese Einsparungen werden umso größer, je höher der Anteil an erneuerbaren Energien im Strom ist, mit dem die Wärmepumpe betrieben wird. Wie der Anteil an lokal erzeugtem Strom aus Windkraft- (WKA) und Photovoltaikanlagen (PV) zur Versorgung von Gebäuden und Quartieren erhöht werden kann, wird aktuell in einem Forschungsprojekt am Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) zusammen mit den Verbundpartnern Technische Universität Clausthal, STIEBEL ELTRON und Energieservice Westfalen Weser untersucht.

 

Forschungsprojekt: Wind-Solar-Wärmepumpen-Quartier

Das Forschungsprojekt EnEff:Stadt Verbundvorhaben Wind-Solar-Wärmepumpen-Quartier [5] hat das Ziel, am Beispiel realer Wärmepumpenquartiere die Auswirkungen einer hohen Durchdringung mit Wärmepumpen auf die elektrischen Verteilnetze zu untersuchen. Zusätzlich sollen Strategien entwickelt werden, wie solche Quartiere zu einem hohen Anteil mit Strom aus Wind- und Photovoltaikanlagen versorgt werden können. Im Projekt dienen zwei Wärmepumpenquartiere, die sich in der Art der Umweltwärmequellen und der Gebäudetechnik unterscheiden, als Untersuchungsobjekte, in welchen umfangreiche Messungen durchgeführt werden.

 

Quartier 1: Solarsiedlung am Ohrberg bei Hameln

Die Solarsiedlung am Ohrberg bei Hameln in Niedersachsen ist ein um das Jahr 2000 entstandenes Quartier, bestehend aus 70 Niedrigenergie-Einfamilienhäusern. Alle Gebäude sind mit einer Solarthermieanlage, Trinkwarmwasserspeicher und einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe, die an ein kaltes Nahwärmenetz angeschlossen ist, ausgestattet. Das kalte Nahwärmenetz ist eine Besonderheit in diesem Quartier: Es stellt das gesamte Jahr über eine relativ konstante Temperatur von mindestens 10 °C für die Wärmepumpen als Quelle zur Verfügung. Um detaillierte Aussagen über den Stromverbrauch der Wärmepumpen und Haushalte treffen zu können, wurden mehr als die Hälfte aller Gebäude mit Messtechnik ausgestattet, die es ermöglicht, in Intervallen von zehn Sekunden die elektrische Leistung und Energie zu erfassen. Zusätzlich wurden lokale Photovoltaikanlagen, der Ortsnetztransformator und das kalte Nahwärmenetz mit Messtechnik ausgestattet. Wetterdaten sowie Daten von lokalen Windkraftanlagen vervollständigen das gesamte energetische Monitoring des Quartiers.

 

Quartier 2: Effizienzhaus-Plus-Siedlung in Hügelshart

Das zweite Quartier bildet die 2016 erbaute Effizienzhaus-Plus-Siedlung Hügelshart bei Friedberg in Bayern [6]. Gegenüber der Siedlung am Ohrberg dient hier als Quelle kein zentrales Wärmenetz, sondern die Umgebungsluft. Auch die Gebäudetechnik unterscheidet sich weitgehend zur Ohrbergsiedlung: Jedes der 13 Gebäude ist mit einer Luft-Wärmepumpe, einem Heizungs- sowie Trinkwarmwasserspeicher ausgestattet. Zusätzlich verfügt jedes Gebäude über eine Photovoltaik-Anlage mit Batteriespeicher. Ein Energiemanagementsystem sorgt dafür, dass die thermischen und elektrischen Speicher optimal genutzt werden, um den lokal erzeugten Strom der Photovoltaik-Anlage möglichst im eigenen Haus zu verwenden. Auch in diesem Quartier werden umfangreiche Messdaten aus der Gebäudetechnik erhoben, die eine Bewertung der Wärmepumpen, Speichernutzung und des Energiemanagements zulassen.

 

Modell für Strom und Wärme in Quartieren

Die Messdaten bieten nun die Möglichkeit, zwei äußerst unterschiedliche Wärmepumpenquartiere im Betrieb zu beobachten und zu bewerten. Um auch Effizienzsteigerungen und Optimierungspotenziale dieser und beliebiger anderer Wärmpumpenquartiere bestimmen zu können, wurde im Rahmen des Projekts ein Simulationsmodell entwickelt und mit den Messdaten validiert. Das Modell ermöglicht es, auf Gebäudeebene alle wichtigen Komponenten der Gebäudeenergieversorgung vereinfacht in Simulationen abzubilden. Zudem bezieht es eine Berechnung des elektrischen Verteilnetzes mit ein. Auf diese Weise können bei Variation der Wetterdaten, der Gebäudestruktur sowie -ausstattung und der Netzstruktur die Wärme- und Stromlastgänge für verschiedene Quartiere im zeitlichen Verlauf ermittelt werden. Unter dynamischen Bedingungen können so Steuerungen auf Gebäude- und Quartiersebene abgebildet werden, sodass die Entwicklung und Bewertung von Betriebsstrategien für Wärmepumpenquartiere ermöglicht wird.

 

Betriebsstrategien für Wärmepumpen

Betriebsstrategien für Wärmepumpen bezeichnen in diesem Beitrag Steuerungen von Wärmepumpen, die einer definierten Zielgröße folgen. Eine Betriebsstrategie für eine Wärmepumpe oder ein ganzes Quartier kann dabei verschiedene Zielgrößen haben: Im Quartier Hügelshart sorgt z. B. das Gebäudeenergiemanagement dafür, dass die Wärmepumpe vorrangig zu Zeiten läuft, in welchen Strom aus der Photovoltaikanlage zur Verfügung steht. Die Wärmepumpe kann hierfür den Heizungswasserspeicher verwenden, um PV-Strom für Raumwärme zu speichern. Eine solche Betriebsstrategie ist auf ein einzelnes Gebäude beschränkt. Diese Betriebsstrategie verfolgt als Zielgröße die Eigenverbrauchsoptimierung von PV-Strom. Für ganze Quartiere kann es aber auch sinnvoll sein, alle Gebäude in eine Steuerung einzubeziehen. So könnte z. B. mit einer zentral koordinierten Steuerung vermieden werden, dass alle Wärmepumpen gleichzeitig laufen, wodurch eine zusätzliche Belastung des elektrischen Verteilnetzes vermieden wird. In quartiersweiten Betriebsstrategien können auch andere erneuerbare Energien z. B. aus Windkraftanlagen einbezogen werden, die insbesondere im Winter (zuzeiten hohen Wärmebedarfs) höhere Erträge als PV-Anlagen liefern.

 

Aktuelle Ergebnisse aus den Quartieren

Am Beispiel der Siedlung am Ohrberg sind in Bild 3 die gemessenen Stromver bräuche der Wärmepumpen und Haushalte pro Tag über ein Jahr dargestellt. Der Haushaltstromverbrauch (ohne Wärmepumpe) weist nur geringe jahreszeitliche Schwankungen auf. Der Energieverbrauch der Wärmepumpen folgt erwartungsgemäß der Außentemperatur. Im Sommer gibt es nur einen geringen Wärmepumpeneinsatz. Hier erfolgt die Trinkwarmwasserbereitung im Wesentlichen über die Solarthermieanlage, bei unzureichender Deckung wird das Trinkwasser mittels Wärmepumpe bereitet. Die im gleichen Zeitraum verfügbare Energie aus WKA und PV-Anlagen wurde auf Basis von Wetterund Einstrahlungsdaten ermittelt und sind in Abbildung 4 dargestellt. Photovoltaik und Windkraft ergänzen sich im Jahresverlauf sehr gut: Während Photovoltaik im Sommer die größten Erträge bringt, sind bei Windkraftanlagen die Erträge im Winter höher. Sichtbar werden aber auch Tage, an welchen sowohl Wind als auch PV nur geringe Erträge liefern. Um zu bewerten, zu welchem Anteil der Stromverbrauch aus erneuerbaren Quellen in einem bestimmen Zeitraum gedeckt werden kann, wird der erneuerbare Deckungsanteil – auch als Autarkiegrad bezeichnet – bestimmt. Bei der Berechnung des erneuerbaren Deckungsanteils ist der zugrunde liegende Bilanzierungszeitraum maßgeblich. Wird z. B. nur die gesamte Energie, die im Laufe eines Jahres benötigt wird, zugrunde gelegt und mit der Energie, die im Laufe eines Jahres aus erneuerbaren Energien gewonnen wird, verglichen, kann schnell festgestellt werden, dass eine 100 % Deckung auf Jahresbasis erreicht werden kann. Der Anteil, der zu jedem Zeitpunkt im Jahr durch erneuerbare Energien gedeckt werden kann, ist allerdings deutlich geringer, da Nachfrage und Angebot in der Regel nicht zeitgleich auftreten. In der Siedlung am Ohrberg sind derzeit nur sieben der 70 Gebäude mit PV-Anlagen ausgestattet. Diese erreichen bei zeitlich aufgelöster Betrachtung einen solaren Deckungsanteil von 24 % des Gebäudestromverbrauchs. Daraus ergibt sich ein solarer Deckungsanteil des Stromverbrauchs der gesamten Siedlung durch die vorhandenen PV-Anlagen von 6,3 %. Wäre jedes Gebäude mit einer PV-Anlage ausgestattet, könnten 22 % des Stromverbrauchs der Siedlung regenerativ gedeckt werden, wobei pro Jahr etwa 0,8 Mal so viel Energie von den PV-Anlagen erzeugt würde, wie in der Siedlung verbraucht wird.

In der Siedlung Hügelshart wurden – im Gegensatz zur Ohrbergsiedlung – bereits von Beginn an alle Gebäude mit rund 10 kWp PV-Anlagen ausgestattet. Hierbei wird die verfügbare Dachfläche vollständig ausgenutzt. Außerdem verfügen die Gebäude auch über einen Batteriespeicher mit 6,4 kWh Kapazität und ein Energiemanagementsystem für Wärmepumpen. In den zwei bislang vermessenen Betriebsjahren konnte so im Durchschnitt ein solarer Deckungsanteil des Stromverbrauchs der Gebäude von mehr als 60 % erreicht werden.

 

Zukünftige erneuerbare Energieversorgung mit Wärmepumpen

Weitere Potenziale zur erneuerbaren Energieversorgung können mit dem im Projekt entwickelten Simulationsmodell aufgezeigt werden. Grundlage für die Modellierung bildet die Gebäudestruktur, wie sie in der Siedlung am Ohrberg vorzufinden ist. Die Wärmepumpen werden in der Simulation durch technisch aktuelle Wärmepumpen ersetzt. Die Gebäudetechnik wird in fünf Szenarien sukzessive um weitere Komponenten, wie einem Energiemanagement für Wärmepumpen und Batteriespeichern, ergänzt.

Für den Ausbau der erneuerbaren Energien wird angenommen, dass die verfügbare Dachfläche der Gebäude mit PV-Anlagen belegt wird. Daraus ergibt sich eine durchschnittliche PV-Anlagengröße von 5 kWp pro Gebäude. Für jedes Gebäude wird zusätzlich eine anteilige Leistung einer WKA von ebenfalls 5 kW zugrunde gelegt. Das Verhältnis von 1:1 in Bezug auf die Leistung von WKA und PV hat sich in eigenen Energiesystemmodellierungen für Niedersachsen als ökonomisches Optimum erwiesen [7]. Insgesamt wird mit dieser Anlagenleistung ca. 2,7 mal so viel Strom im Quartier erzeugt, wie verbraucht wird. Die mit den folgenden Szenarien erreichbaren erneuerbaren Deckungsanteile des Stromverbrauchs im Quartier sind in Bild 5 dargestellt. Dabei ist zu beachten, dass die Werte sich nur auf den Anteil der elektrischen Energie beziehen. Bei einer gesamtenergetischen Betrachtung, bei der auch von den Wärmepumpen genutzte regenerative Umweltenergie einzubeziehen ist, würden weit höhere erneuerbare Deckungsanteile erreicht werden. In Szenario 1 wird jedes Gebäude mit einer PV-Anlage der Größe 5 kWp ausgestattet. Hierdurch wird auf Quartiersebene ein erneuerbarer Deckungsanteil von 33 % erreicht. In Szenario 2 werden die Gebäude zusätzlich mit einem Energiemanagement ausgestattet, das die Wärmepumpen prognosebasiert steuert. Die Wärmepumpe wird dann vorrangig zu Zeiten, in welchen PV-Leistung zur Verfügung steht, betrieben. Der überschüssige PV-Strom wird auf diese Weise in Wärme umgewandelt und in den thermischen Speichern des Heizsystems gespeichert. So kann der erneuerbare Deckungsanteil auf fast 40 % gesteigert werden. In Szenario 3 wird der PV-Anlage ein 5 kWh Batteriespeicher mit eigenverbrauchsoptimierender Steuerung beiseitegestellt. Überschüssiger PV-Strom wird dann im Batteriespeicher gespeichert und in Zeiten ohne PV-Strom wieder ausgespeichert. Der erneuerbare Deckungsanteil wird so auf 53 % gesteigert. In Szenario 4 werden pro Gebäude 5 kWp PV und 5 kW Wind angenommen. Hiermit wird bereits ein Deckungsanteil von über 70 % ohne Nutzung zusätzlicher Speicher erreicht. In Szenario 5 werden schließlich alle Erweiterungen der vorherigen Szenarien vereint. Auf diese Weise werden lokale erneuerbare Deckungsanteile von fast 90 % möglich. Hierbei ist zu beachten, dass Batteriespeicher sowie die Wärmepumpenregelung nur die Überschüsse der PV-Anlagen nutzen, da es zur Einspeicherung von Windstrom derzeit an rechtlichen Grundlagen fehlt. Die Ergebnisse aus den existierenden Quartieren zeigen, dass bereits jetzt eine zu hohem Anteil erneuerbare Energieversorgung von Quartieren mit Wärmepumpen und PV-Anlagen möglich ist. Hierbei ist es wichtig, alle lokal verfügbaren erneuerbaren Energien optimal zu nutzen. Die Simulationen zeigen, dass bereits der Einsatz geringinvestiver Maßnahmen, wie einem Energiemanagement mit intelligenter WP-Steuerung und Wetter-Prognose, den Anteil erneuerbarer Energien im Gebäude steigert. Unter Verwendung handelsüblicher Speicher und Einbeziehung der Windenergie ist eine vollständige erneuerbare Deckung in greifbarer Reichweite.

Institut für Solarenergieforschung Hameln
Das ISFH fördert seit mehr als 30 Jahren die Nutzung von Solarenergie durch angewandte Forschung in den Bereichen „Photovoltaik“ und „Solare Systeme“. Zusammen mit Partnern aus Industrie und Wirtschaft werden neue Lösungen zur Gewinnung vom Strom und Wärme aus Solarenergie und effiziente Strom-Wärme-Systemen für die Energieversorgung von Gebäuden und Quartieren entwickelt und wissenschaftlich begleitet.

Literaturverzeichnis

[1] „Energy Charts“ [Online]. Available: https://energy-charts.de. [Zugriff am 26.11. 2019].

[2] AG Energiebilanzen e. V., „Anwendungsbilanzen für die Endenergiesektoren in Deutschland in den Jahren 2013 bis 2017,“ Berlin, 2019.

[3] AG Energiebilanzen e. V., „Auswertungstabellen zur Energiebilanz Deutschland,“ 2019.

[4] Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, „WP Monitor Feldmessung von Wärmepumpenanlagen,“ Freiburg, 2014.

[5] „EnEff:Stadt Verbundvorhaben: Wind-Solar-Wärmepumpen-Quartier, Förderkennzeichen: 03ET1444A,“ 2017. [Online]. Available: www.wpuq.de

[6] „Effizienhaus-Plus-Siedlung,“ [Online]. Available: www.effizienzhausplussiedlung.de

[7] R. Brendel, „Welche Rolle spielt der Solarstrom in der künftigen Energieversorgung Niedersachsens?“ in Solarstromperspektiven für Niedersachsen, Hannover, 2019.

Der Autor

Dr. Tobias Ohrdes studierte Physik an der Leibniz Universität Hannover (LUH) und promovierte im Bereich der Modellierung und Entwicklung von hocheffizienten Silizium Solarzellen am Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) und LUH. Anschließend übernahm er die Leitung der Arbeitsgruppe Elektrische Energiesysteme am ISFH, deren Forschungsschwerpunkt gekoppelte Strom-Wärme-Systeme für die Energieversorgung von Gebäuden und Quartieren bildet.

Michael Knoop studierte Energietechnologien (B. Sc.) an der TU Clausthal sowie Regenerative Energien und Energieeffizienz (M. Sc.) an der Uni Kassel.
Seit 2015 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Solarenergieforschung in der Abteilung Solare Systeme – Arbeitsgruppe Elektrische Energiesysteme.

Elisabeth Schneider studierte von 2008 bis 2014 Umweltingenieurwesen an der TU Braunschweig, (B. Sc. und M. Sc.). Seit 2015 ist sie wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Solarenergieforschung (ISFH) in der Abteilung Solare Systeme – Arbeitsgruppe Thermische Energiesysteme.

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